分子鐘可以大大改善智能手機(jī)導(dǎo)航

麻省理工學(xué)院的研究人員已經(jīng)在芯片上開發(fā)出第一個(gè)分子鐘，它使用分子的恒定，可測量的旋轉(zhuǎn) - 當(dāng)暴露于一定頻率的電磁輻射時(shí) - 以保持時(shí)間。該芯片有朝一日可以顯著提高智能手機(jī)和其他消費(fèi)設(shè)備導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和性能。

今天最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)器是原子鐘。當(dāng)暴露于特定頻率時(shí)，這些時(shí)鐘依賴于原子的穩(wěn)定共振，以精確測量一秒鐘。所有GPS衛(wèi)星都安裝了幾個(gè)這樣的時(shí)鐘。通過“三角化”從這些衛(wèi)星廣播的時(shí)間信號(hào) - 三角測量技術(shù)，使用三維數(shù)據(jù)進(jìn)行定位 - 您的智能手機(jī)和其他地面接收器可以精確定位自己的位置。

但原子鐘大而且昂貴。因此，您的智能手機(jī)的內(nèi)部時(shí)鐘精度要低得多，依賴于三個(gè)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航，仍然可以計(jì)算出錯(cuò)誤的位置。如果可以通過附加衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行校正，可以減少誤差，但這會(huì)降低導(dǎo)航的性能和速度。當(dāng)信號(hào)下降或變?nèi)鯐r(shí) - 例如在信號(hào)反射建筑物或隧道周圍的區(qū)域 - 您的手機(jī)主要依靠其時(shí)鐘和加速度計(jì)來估計(jì)您的位置和您要去的地方。

麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系(EECS)和太赫茲集成電子集團(tuán)的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)建立了一個(gè)片上時(shí)鐘，可以將特定的分子 - 而不是原子 - 暴露在精確的超高頻率下，從而使它們旋轉(zhuǎn)。當(dāng)分子旋轉(zhuǎn)引起最大能量吸收時(shí)，周期性輸出被計(jì)時(shí) - 在這種情況下是一秒鐘。與原子的共振一樣，這種自旋足夠穩(wěn)定，可以作為精確的定時(shí)參考。

在實(shí)驗(yàn)中，分子時(shí)鐘平均誤差小于1微秒/小時(shí)，與微型原子鐘相當(dāng)，比智能手機(jī)中的晶體振蕩器時(shí)鐘穩(wěn)定10,000倍。由于時(shí)鐘是完全電子的，并且不需要用于絕緣和激發(fā)原子的龐大，耗電的元件，因此它采用低成本，互補(bǔ)的金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)集成電路技術(shù)制造，用于制造所有智能手機(jī)芯片

“我們的愿景是，在未來，你不需要花費(fèi)大量資金在大多數(shù)設(shè)備中使用原子鐘。相反，你只需要在智能手機(jī)的芯片一角安裝一個(gè)小氣室，然后整個(gè)事情都以原子時(shí)鐘級(jí)精度運(yùn)行，“EECS的副教授，描述時(shí)鐘的論文的共同作者Ruonan Han說道，今天在Nature Electronics上發(fā)表。

芯片級(jí)分子時(shí)鐘還可用于需要定位精度但幾乎不涉及GPS信號(hào)的操作中更有效的時(shí)間保持，例如水下傳感或戰(zhàn)場應(yīng)用。

在論文中加入韓：王成，博士。學(xué)生和第一作者; 張毅，博士??后; 所有來自EECS的研究生James Mawdsley，Mina Kim和Zihan Wang。

在20世紀(jì)60年代，科學(xué)家正式確定了一秒鐘的9,192,631,770次輻射振蕩，這是銫-133原子從低態(tài)到高態(tài)興奮性所需的確切頻率。因?yàn)樵撟兓呛愣ǖ?，所以該精確頻率可以用作一秒的可靠時(shí)間參考?；旧?，每次發(fā)生9,192,631,770次振蕩，一秒鐘就會(huì)過去。

原子鐘是使用該概念的系統(tǒng)。它們?cè)阡C-133原子上掃過一小段微波頻率，直到最大數(shù)量的原子轉(zhuǎn)變到它們的高態(tài) - 這意味著頻率恰好是9,192,631,770個(gè)振蕩。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)計(jì)時(shí)一秒鐘。它不斷測試這些原子的最大數(shù)量是否處于高能狀態(tài)，如果不是，則調(diào)整頻率以保持正常。每140萬年，最好的原子鐘在誤差的一秒內(nèi)出現(xiàn)。

近年來，美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局推出了芯片級(jí)原子鐘。但是這些對(duì)于消費(fèi)者設(shè)備而言價(jià)格大約為1,000美元。為了縮小比例，“我們一起搜索不同的物理，”韓說。“我們不探究原子的行為;相反，我們探究分子的行為。”

研究人員的芯片功能與原子鐘類似，但在暴露于某些頻率時(shí)依賴于測量分子硫化羰(OCS)的旋轉(zhuǎn)。連接到芯片的是充滿OCS 的氣室。電路沿著電池連續(xù)掃描電磁波的頻率，使分子開始旋轉(zhuǎn)。接收器測量這些旋轉(zhuǎn)的能量并相應(yīng)地調(diào)整時(shí)鐘輸出頻率。在非常接近231.060983千兆赫茲的頻率下，分子達(dá)到峰值旋轉(zhuǎn)并形成尖銳的信號(hào)響應(yīng)。研究人員將頻率劃分為一秒鐘，將其與原子鐘的官方時(shí)間相匹配。

“該系統(tǒng)的輸出與已知數(shù)量相關(guān) - 約231千兆赫茲，”韓說。“你想把一個(gè)對(duì)你有用的數(shù)量與一個(gè)物理常數(shù)的數(shù)量相關(guān)聯(lián)，這個(gè)數(shù)量不會(huì)改變。那么你的數(shù)量就會(huì)變得非常穩(wěn)定。”

一個(gè)關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)一種能夠射出200千兆赫信號(hào)以使分子旋轉(zhuǎn)的芯片。消費(fèi)者設(shè)備組件通常只能產(chǎn)生幾千兆赫茲的信號(hào)強(qiáng)度。研究人員開發(fā)了定制金屬結(jié)構(gòu)和其他可提高晶體管效率的元件，以便將低頻輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為更高頻率的電磁波，同時(shí)盡可能少地使用功率。該芯片僅消耗66毫瓦的功率。相比之下，常見的智能手機(jī)功能 - 如GPS，Wi-Fi和LED照明 - 在使用過程中可能會(huì)消耗數(shù)百毫瓦。

Han表示，這些芯片可用于水下傳感，但GPS信號(hào)不可用。在這些應(yīng)用中，聲波射入海底并返回水下傳感器網(wǎng)格。在每個(gè)傳感器內(nèi)部，附加的原子鐘測量信號(hào)延遲，以精確定位例如海底石油的位置。研究人員的芯片可能是原子鐘的低功耗和低成本替代品。

漢說，該芯片也可用于戰(zhàn)場。炸彈通常在戰(zhàn)場上被遠(yuǎn)程觸發(fā)，因此士兵使用的設(shè)備可以抑制該地區(qū)的所有信號(hào)，因此炸彈不會(huì)爆炸。“士兵們自己再?zèng)]有GPS信號(hào)，”韓說。“當(dāng)用于本地導(dǎo)航的精確內(nèi)部時(shí)鐘變得非常必要時(shí)，這些就是其中之一。”

目前，原型在準(zhǔn)備好接觸消費(fèi)者設(shè)備之前需要進(jìn)行一些微調(diào)。研究人員目前計(jì)劃進(jìn)一步縮短時(shí)鐘，將平均功耗降低到幾毫瓦，同時(shí)將誤碼率再降低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)。