分子鐘可以大大改善智能手機導(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 - 以保持時間。該芯片有朝一日可以顯著提高智能手機和其他消費設(shè)備導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和性能。

今天最準(zhǔn)確的計時器是原子鐘。當(dāng)暴露于特定頻率時，這些時鐘依賴于原子的穩(wěn)定共振，以精確測量一秒鐘。所有GPS衛(wèi)星都安裝了幾個這樣的時鐘。通過“三角化”從這些衛(wèi)星廣播的時間信號 - 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，您的智能手機的內(nèi)部時鐘精度要低得多，依賴于三個衛(wèi)星信號進(jìn)行導(dǎo)航，仍然可以計算出錯誤的位置。如果可以通過附加衛(wèi)星信號進(jìn)行校正，可以減少誤差，但這會降低導(dǎo)航的性能和速度。當(dāng)信號下降或變?nèi)鯐r - 例如在信號反射建筑物或隧道周圍的區(qū)域 - 您的手機主要依靠其時鐘和加速度計來估計您的位置和您要去的地方。

麻省理工學(xué)院電氣工程與計算機科學(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)建立了一個片上時鐘，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，周期性輸出被計時 - 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參考。

在實驗中，分子時鐘平均誤差小于1微秒/小時，與微型原子鐘相當(dāng)，比智能手機中的晶體振蕩器時鐘穩(wěn)定10,000倍。由于時鐘是完全電子的，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芯片

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

芯片級分子時鐘還可用于需要定位精度但幾乎不涉及GPS信號的操作中更有效的時間保持，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。因為該變化是恒定的，所以該精確頻率可以用作一秒的可靠時間參考?；旧?，每次發(fā)生9,192,631,770次振蕩，一秒鐘就會過去。

原子鐘是使用該概念的系統(tǒng)。它們在銫-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個振蕩。當(dāng)發(fā)生這種情況時，系統(tǒng)會計時一秒鐘。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，美國國防高級研究計劃局推出了芯片級原子鐘。但是這些對于消費者設(shè)備而言價格大約為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。“你想把一個對你有用的數(shù)量與一個物理常數(shù)的數(shù)量相關(guān)聯(lián)，這個數(shù)量不會改變。那么你的數(shù)量就會變得非常穩(wěn)定。”

一個關(guān)鍵的挑戰(zhàn)是設(shè)計一種能夠射出200千兆赫信號以使分子旋轉(zhuǎn)的芯片。消費者設(shè)備組件通常只能產(chǎn)生幾千兆赫茲的信號強度。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轉(zhuǎn)換為更高頻率的電磁波，同時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，常見的智能手機功能 - 如GPS，Wi-Fi和LED照明 - 在使用過程中可能會消耗數(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。在每個傳感器內(nèi)部，附加的原子鐘測量信號延遲，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，因此炸彈不會爆炸。“士兵們自己再沒有GPS信號，”韓說。“當(dāng)用于本地導(dǎo)航的精確內(nèi)部時鐘變得非常必要時，這些就是其中之一。”

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