計數器:這個蒸汽電池是NIST下一代微型原子鐘的核心。(圖片來源:Hummon / NIST)
位於科羅拉多州博爾德的美國國家標準與技術研究院(NIST)的物理學家們發明了一種小型光學時鐘，它的體積小到可以安裝在三個電腦芯片上。
下一代設備的穩定性是目前相同尺寸芯片原子鐘的100倍。隨著進一步的改進，這個微小的計時器可以有多種科學和商業應用。
在過去的60多年裡，最精確的計時設備一直是原子鐘——其中最好的原子鐘可以運行10億年以上，然後只出一秒鐘。大多數商用原子鐘是通過監測銫原子中某一躍遷所發出的微波頻率來工作的。然而，最好的原子鐘使用發射光的躍遷——它的頻率比微波高得多。因此，這些光學時鐘比微波時鐘精確得多。然而，缺點是光學時鐘體積龐大、複雜且昂貴——限制了它們在NIST等實驗室的使用。
紅外過渡
NIST的研究人員熱衷於簡化光學時鐘，並把它們放在芯片上，這樣它們就能得到更廣泛的應用。他們的設計是基於一個充滿銣原子的微製造玻璃蒸汽電池，在385太赫茲處發生轉變。雖然這不是很可見光-它是紅外線-它是非常高的頻率，銫躍遷在9千兆赫。
紅外“時鐘激光器”鎖定在銣的躍遷上。兩個互鎖的克爾微諧振器頻率梳是用來將太赫茲時鐘激光時間信號轉換成千兆赫頻率，這是廣泛使用的標準電子。
這種簡單的設計意味著時鐘可以非常緊湊。它只適合三個小芯片，但它需要支持電子和光學。該裝置僅使用275兆瓦的電力，運行4000秒後，其不穩定性僅為1013分之一。這使得它比目前同等大小的原子鐘穩定100倍左右。隨著進一步的改進，NIST團隊相信他們的光學時鐘可以變得足夠小，可以手持，這使得它與目前的原子鐘具有很強的競爭力。
如果光學時鐘變得足夠小、便攜和便宜，它們將適用於一系列商業應用，包括GPS無法使用時的計時和導航。它還將為科學實驗開闢新的機會，包括重力和遙感、長基線干涉測量和實驗室儀器的校準;潛在地允許對基礎物理進行新的測試。
這鐘是用光學描述的。
NIST的研究人員之一約翰·基欽(John Kitching)在這期《物理世界週刊》(Physics World Weekly)播客中談到了實驗室將原子鐘和其他計量設備安裝在芯片上的努力。