原子钟价格太高？ 亲民的分子钟来了

据麦姆斯咨询报道，美国科学家利用分子太赫兹(THz)范围的谐振特性研发出与原子钟性能几乎无异的分子钟，且只需要集成电路(IC)的通用工艺即可完成。

基于铯133或铷原子受激共振的原子钟是目前广泛使用的时钟精度之王(每颗GPS卫星中都安装有一个这样的原子钟)，但它们成本高且体积相对较大。甚至用于如战场的军事任务同步特殊应用的芯片级原子钟，价格也达1000美元。

不过，麻省理工学院(MIT)电气工程与计算机科学系的团队与其太赫兹集成电路团队合作开发了一款与原子钟性能不分伯仲的时钟。这款时钟采用IC的通用工艺，相应地减小了尺寸，并降低了功耗和成本。

这款“分子”时钟依赖于测量分子羰基硫化物(OCS)暴露于某些频率时的旋转，这就是为什么它被称为“分子”而不是“原子”。(注：羰基硫化物更正式的表达为16O12C32S，一种化学化合物，也有其他常用的名称和缩写)

测量结果表明，分子钟的平均误差小于每小时1微秒，与微型原子钟相当，比用于智能手机中的大众型晶体振荡器时钟高于4个数量级。更令人兴奋的是，分子钟完全是电子的，不需要笨重或耗电的支持组件对分子进行绝缘或激发，并且采用标准CMOS IC工艺制造。

研究团队的论文《基于亚太赫兹旋转光谱的片上全电子分子钟》(An on-chip fully electronic molecular clock based on sub-terahertz rotational spectroscopy)发表于Nature Electronics，描述了原理、设计、操作以及测试。除概念之外，文中还说明了需要什么样的拓扑结构。

OCS和太赫兹频率

为了提供该方法的基础——分子共振，研究团队增加了一个充满OCS的“气室”。IC在气室内产生并扫描可变频太赫兹信号，激发分子开始旋转。同时，太赫兹接收器测量其旋转能量并通过闭环装置调节太赫兹振荡频率。OCS分子达到旋转角度峰值并显示出非常接近231.060983GHz的信号响应峰值，这是它们的“自然”共振频率。然后将该谐振频率下的太赫兹源时钟分频以产生标准的一秒定时触发的脉冲(one-pulse-per-second timing pulses)。

该团队必须开发一种可控的可调太赫兹源。它是通过利用定制金属结构和其他元件来实现的，以提高片上晶体管的性能。片上晶体管的主要用途是将初始低频输入信号转换成太赫兹信号输出。同时，团队希望尽量降低功耗，该器件功耗仅为66mW。

该论文的作者得出结论：“我们的工作证明了在主流硅基芯片系统单片集成原子钟级频率参考的可行性。”论文除了提供对分子钟和OCS的预期参考，还包含许多关于全尺寸芯片级原子钟的设计、技术和构造的有趣追溯和教程参考。

这项工作得到了美国国家科学基金会职业成就奖(National Science Foundation CAREER award)、麻省理工学院林肯实验室、麻省理工学院集成电路与系统中心以及德州仪器公司奖学金的支持。