首個晶片級分子時鐘問世,可提高計時和定位精度

2020-12-05 科技工作者之家

▲搭載分子時鐘的晶片。

據ScienceBlog.com網站7月15日報導，《自然·電子學》近日載文稱，麻省理工學院（MIT）電子工程與計算機科學系（EECS）和太赫茲集成電子集團（Terahertz Integrated Electronics Group，簡稱TIEG）的研究人員首次研發了晶片級分子時鐘。在一定頻率的電磁輻射下，它可以利用分子恆定、可測量的旋轉確保時間準確性。該晶片有朝一日或可顯著提升智慧型手機和其他消費型電子設備導航系統的準確性等性能。

目前，最精確的計時裝置是原子鐘。原子鐘是基於特定頻率下的原子穩定共振。所有GPS衛星上都會安裝若干個原子鐘。通過類似三角測量法的技術測定GPS衛星發出的時間信號，智慧型手機或其他地面接收器就能精確定位。然而，由於原子鐘龐大且昂貴，智慧型手機中只能安裝一種精確性相對較低的內部時鐘來進行導航。如果周圍有附加衛星信號，那麼智慧型手機可以通過校正來減少定位錯誤，但這往往會降低導航的速度和性能。而當衛星信號較弱時（如在建築物包圍下和隧道中），智慧型手機則只能依靠時鐘和加速度計來估計用戶的當前位置和目的地。

EECS和TIEG的研究人員製造的搭載分子時鐘的晶片，可以在高精度、超高頻電磁輻射條件下，引發特定分子的自旋。分子旋轉引起最大能量吸收的周期為一秒鐘。與原子共振類似，分子自旋也是可靠的恆量，可以作為精確的定時參考。在實驗室條件下，分子鐘平均每小時的誤差不足1微秒，這與微型原子鐘旗鼓相當，更是智慧型手機中的晶體振蕩器時鐘穩定性的上萬倍。此外，由於分子鐘是全電子的，不需要笨重、耗電的元件來隔離和激發原子，因此可以採用低成本的智慧型手機晶片通用技術——互補金屬氧化物半導體（CMOS）集成電路技術進行製造。論文合著者、EECS副教授韓諾男（音譯）說：「我們的願景是，將來不再需要花大量金錢在大多數設備上安裝原子鐘。只需要在手機晶片一角安裝小型氣體池，然後剩下的事情就交給具有原子鐘級別精度的分子鐘了。」這種晶片級的分子時鐘還可以用於水下傳感或作戰任務。

在分子時鐘商業化前，研究人員還需對原型進行一些調試：在進一步縮小分子時鐘尺寸和降低平均功耗的同時，將錯誤率再降低1~2個數量級。

編譯：雷鑫宇 審稿：西莫

責編：南熙

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