據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國(guó)科學(xué)家利用分子太赫茲（THz）范圍的諧振特性研發(fā)出與原子鐘性能幾乎無異的分子鐘，且只需要集成電路（IC）的通用工藝即可完成。

基于銫133或銣原子受激共振的原子鐘是目前廣泛使用的時(shí)鐘精度之王（每顆GPS衛(wèi)星中都安裝有一個(gè)這樣的原子鐘），但它們成本高且體積相對(duì)較大。甚至用于如戰(zhàn)場(chǎng)的軍事任務(wù)同步特殊應(yīng)用的芯片級(jí)原子鐘，價(jià)格也達(dá)1000美元。

不過，麻省理工學(xué)院（MIT）電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系的團(tuán)隊(duì)與其太赫茲集成電路團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一款與原子鐘性能不分伯仲的時(shí)鐘。這款時(shí)鐘采用IC的通用工藝，相應(yīng)地減小了尺寸，并降低了功耗和成本。

這款“分子”時(shí)鐘依賴于測(cè)量分子羰基硫化物（OCS）暴露于某些頻率時(shí)的旋轉(zhuǎn)，這就是為什么它被稱為“分子”而不是“原子”。（注：羰基硫化物更正式的表達(dá)為16O12C32S，一種化學(xué)化合物，也有其他常用的名稱和縮寫）

測(cè)量結(jié)果表明，分子鐘的平均誤差小于每小時(shí)1微秒，與微型原子鐘相當(dāng)，比用于智能手機(jī)中的大眾型晶體振蕩器時(shí)鐘高于4個(gè)數(shù)量級(jí)。更令人興奮的是，分子鐘完全是電子的，不需要笨重或耗電的支持組件對(duì)分子進(jìn)行絕緣或激發(fā)，并且采用標(biāo)準(zhǔn)CMOS IC工藝制造。

研究團(tuán)隊(duì)的論文《基于亞太赫茲旋轉(zhuǎn)光譜的片上全電子分子鐘》（An on-chip fully electronic molecular clock based on sub-terahertz rotational spectroscopy）發(fā)表于Nature Electronics，描述了原理、設(shè)計(jì)、操作以及測(cè)試。除概念之外，文中還說明了需要什么樣的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

OCS和太赫茲頻率

為了提供該方法的基礎(chǔ)——分子共振，研究團(tuán)隊(duì)增加了一個(gè)充滿OCS的“氣室”。IC在氣室內(nèi)產(chǎn)生并掃描可變頻太赫茲信號(hào)，激發(fā)分子開始旋轉(zhuǎn)。同時(shí)，太赫茲接收器測(cè)量其旋轉(zhuǎn)能量并通過閉環(huán)裝置調(diào)節(jié)太赫茲振蕩頻率。OCS分子達(dá)到旋轉(zhuǎn)角度峰值并顯示出非常接近231.060983GHz的信號(hào)響應(yīng)峰值，這是它們的“自然”共振頻率。然后將該諧振頻率下的太赫茲源時(shí)鐘分頻以產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的一秒定時(shí)觸發(fā)的脈沖（one-pulse-per-second timing pulses）。

該團(tuán)隊(duì)必須開發(fā)一種可控的可調(diào)太赫茲源。它是通過利用定制金屬結(jié)構(gòu)和其他元件來實(shí)現(xiàn)的，以提高片上晶體管的性能。片上晶體管的主要用途是將初始低頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成太赫茲信號(hào)輸出。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)希望盡量降低功耗，該器件功耗僅為66mW。

該論文的作者得出結(jié)論：“我們的工作證明了在主流硅基芯片系統(tǒng)單片集成原子鐘級(jí)頻率參考的可行性。”論文除了提供對(duì)分子鐘和OCS的預(yù)期參考，還包含許多關(guān)于全尺寸芯片級(jí)原子鐘的設(shè)計(jì)、技術(shù)和構(gòu)造的有趣追溯和教程參考。

這項(xiàng)工作得到了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)職業(yè)成就獎(jiǎng)（National Science Foundation CAREER award）、麻省理工學(xué)院林肯實(shí)驗(yàn)室、麻省理工學(xué)院集成電路與系統(tǒng)中心以及德州儀器公司獎(jiǎng)學(xué)金的支持。

延伸閱讀

參考消息網(wǎng)2018年7月19日?qǐng)?bào)道 美媒稱，分子在受到某種頻率的電磁輻射時(shí)會(huì)進(jìn)行恒定且可測(cè)量的自旋，利用這一點(diǎn)，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出第一個(gè)可以計(jì)時(shí)的芯片分子鐘。這種芯片有朝一日能大大提高智能手機(jī)和其他消費(fèi)設(shè)備的導(dǎo)航精度和性能。

據(jù)美國(guó)科技探索網(wǎng)站7月16日?qǐng)?bào)道，如今最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具是原子鐘。利用原子在受到某個(gè)特定頻率的電磁輻射時(shí)的穩(wěn)定共振，這種時(shí)鐘可以精確地測(cè)量出一秒。全球定位系統(tǒng)（GPS）所使用的所有衛(wèi)星中都安裝了幾個(gè)這樣的原子鐘。衛(wèi)星把時(shí)間信號(hào)發(fā)送出去，智能手機(jī)和地面上其他接收器通過類似三角測(cè)量法的技術(shù)，對(duì)這些信號(hào)加以測(cè)算，可以準(zhǔn)確確定自己的位置。

但是原子鐘既龐大，又昂貴。因此，智能手機(jī)采用準(zhǔn)確度不太高的內(nèi)置時(shí)鐘。這種內(nèi)置時(shí)鐘依靠三個(gè)衛(wèi)星信號(hào)來導(dǎo)航，而且仍有可能算錯(cuò)位置。如果用更多的衛(wèi)星信號(hào)加以修正，可以減少誤差，但這會(huì)降低導(dǎo)航系統(tǒng)的性能和速度。

報(bào)道稱，來自麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系和太赫茲集成電子集團(tuán)的研究人員現(xiàn)在制造出一種芯片鐘。它使特定的分子接受某種精確的超高頻電磁輻射，從而導(dǎo)致分子自旋。當(dāng)分子自旋引起最大的能量吸收時(shí)，一個(gè)輸出周期的時(shí)間被測(cè)得為一秒鐘。與原子的共振一樣，這種自旋非常穩(wěn)定，足以使其充當(dāng)一種精確計(jì)時(shí)參考。

報(bào)道稱，在實(shí)驗(yàn)中，分子鐘的平均誤差低于每小時(shí)1微秒，與微型原子鐘相當(dāng)，其穩(wěn)定程度是采用晶體振蕩器的智能手機(jī)內(nèi)置時(shí)鐘的1萬倍。由于分子鐘實(shí)現(xiàn)了全電子化，不需要笨重而耗能的部件來隔離和激發(fā)原子，因此可以用低成本的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成電路技術(shù)來制造分子鐘，而這種技術(shù)也用于制造所有的智能手機(jī)芯片。

麻省理工學(xué)院電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)系副教授、分子鐘相關(guān)論文的作者之一韓若楠（音）說：“我們的設(shè)想是，未來不需要將大量資金用于在大多數(shù)設(shè)備上安裝原子鐘。相反，你只要在智能手機(jī)某個(gè)芯片的一角安裝一個(gè)小小的氣囊，然后一切就都能以原子鐘級(jí)別的精確度運(yùn)行?！痹撜撐?3日發(fā)表在英國(guó)《自然?電子學(xué)》雜志上。

報(bào)道稱，這種芯片級(jí)分子鐘也可用于在要求精確位置但幾乎不需要GPS信號(hào)的作業(yè)中進(jìn)行更有效的計(jì)時(shí)。這類作業(yè)包括水下感應(yīng)和戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用等。

來源：西安同步