Đồng hồ nguyên tử nhỏ nhất trên thị trường

Đồng hồ nguyên tử thương mại cỡ chip đầu tiên trên thế giới. (Ảnh: Symmetricom, Inc.)

Các nhà nghiên cứu ở Mĩ vừa phát triển đồng hồ nguyên tử thương mại nhỏ nhất thế giới. Gọi tên là Đồng hồ Nguyên tử Cỡ Chip (CSAC) SA.45s, bạn có thể sở hữu nó với số tiền chỉ 1500 đô la Mĩ. Chiếc đồng hồ trên, thoạt đầu được phát triển cho mục đích quân sự, cỡ kích cỡ chừng bằng một bao diêm, cân nặng 35 gam và yêu cầu công suất chỉ 15mW. Ngoài việc là thiết bị báo giờ hàng ngày của chúng ta, theo lời đội nghiên cứu, chiếc đồng hồ trên còn có thể có nhiều ứng dụng đa dạng, từ việc vô hiệu hóa bom cho đến việc tìm kiếm dầu mỏ.

Các đồng hồ nguyên tử sử dụng một tần số chuyển tiếp điện tử đặc biệt của một nguyên tử làm chuẩn tần số, với tiếng “tíc tắc” là các dao động giữa hai trạng thái năng lượng trong một nguyên tử. Thông thường, người ta dùng một vòng hồi tiếp để khóa tần số của nguồn sáng với tần số của chuyển tiếp đó, từ đó tạo ra một chuẩn tần số ổn định.

Chiếc đồng hồ nguyên tử tân tiến này được hợp tác phát triển tại Symmetricom, Phòng thí nghiệm Draper, và Phòng thí nghiệm quốc gia Sandia ở Mĩ. Chiếc đồng hồ gồm một “gói vật lí” hết sức nhỏ gọn chứa các nguyên tử caesium và đặt trên một bo mạch bên trong một cái hộp nhỏ xíu. Các nguyên tử caesium được giữ bên trong một tế bào cộng hưởng để được làm nóng đén một trạng thái hơi bởi các bản đặt phía trên và phía dưới gói.

Điều biến vi sóng

Một laser phát xạ mặt hộp đứng đã tối ưu hóa (VCSEL) được chiếu qua chất hơi đó, gây ra sự kích thích ở những nguyên tử caesium. Ánh sáng laser được điều chỉnh bởi một máy phát tín hiệu vi sóng trên chip. Điều này cho phép một chùm ánh sáng laser kích thích các nguyên tử caeium ở hai mức năng lượng khác nhau. Sự giao thoa giữa hai mức này khi đó được phát hiện bởi một quang diode tạo nên một phần của vòng hồi tiếp. Sự hồi tiếp tối ưu hóa số lượng photon bị hấp thụ bởi các nguyên tử caesium. Chiếc đồng hồ hiển thị 1s đã trôi qua sau khi đếm chính xác 4596.315.885 chu kì tín hiệu dao động tử vi sóng.

Từ dưới lên, những bộ phận gồm bản đế, tấm chắn dưới, PCB, gói vật lí, dây quấn xiên, tấm chắn trên và nắp đậy. (Ảnh: Symmetricom, Inc.)

Gói vật lí được hàn chân không và sau đó được bọc trong một lớp chắn từ tính, trước khi đặt lên trên bo mạch đã in sẵn (PCB), sau đó toàn bộ được hàn kín không cho không khí lọt vào. Bản nắp và bản đế của cấu trúc đóng vai trò lớp chắn từ tính thứ hai.

Toàn bộ các bộ phận trên PCB được tối ưu hóa cho suất tiêu hao năng lượng ở mức càng nhỏ càng tốt. Kết quả là mạch điện của gói vật lí tiêu thụ khoảng 95 mW, cùng với bản thân gói vật lí tiêu thụ khoảng 10 mW. Được phép sai số chế tạo, CSAC có công suất tiêu thụ tổng cộng chỉ 115 mW – theo lời Steve Fossi, giám đốc phát triển kinh doanh của Symmetricom.

Ý tưởng ra đời tại NIST

Hồi năm 2004, tạo chí Physics World đã đưa tin rằng John Kitching cùng đội của ông tại Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Mĩ (NIST) ở Boulder, Colorado, đã chế tạo ra cái khi đó là đồng hồ nguyên tử di động cỡ chip và nhỏ gọn nhất. Vậy thì đâu là sự khác biệt với dụng cụ mới nhất này? Theo Kitching, sản phẩm mới này về cơ bản là phiên bản thương mại của công trình nghiên cứu mà nhóm của ông tại NIST đã đi tiên phong từ năm 2001 đến 2005.

Trong khi các đồng hồ Symmetricom và NIST có kích cỡ ngang ngửa nhau, thì lợi thế chính của chiếc đồng hồ mới này là công suất đòi hỏi để nó hoạt động thấp hơn nhiều so với bất kì đồng hồ nguyên tử thương mại nào trước đây: 115 mW, so với hơn 1 W đối với mọi đồng hồ nguyên tử khác. “Điều này có nghĩa là nó sẽ mở ra nhiều ứng dụng mới cho sự đo thời gian chính xác, đặc biệt là những ứng dụng chỉ có công suất nguồn thấp”, Kitching nói.

Vô hiệu hóa bom tự động

Chiếc đồng hồ trên có thể tìm thấy công dụng trong sự vô hiệu hóa các dụng cụ nổ tự động (IED) hoặc bom lề đường được kích nổ không dây bằng mọi thứ từ điện thoại di động cho đến những bộ điều khiển từ xa trò chơi. Những quả bom như vậy có thể bị vô hiệu hóa bằng cách sử dụng những đài phát di động đánh chặn mọi tín hiệu viễn thông trong khu vực. Trong khi giải pháp này giải quyết được vấn đề bom nổ tức thì, nhưng nó cũng ngăn cản mọi sự truyền thông tin vô tuyến thân thiện khác. CSAC sẽ mang lại sự đo thời gian chính xác cần thiết để phát tín hiệu nhiễu sự truyền thông liên quan đến kích bom đồng thời cho phép các tín hiệu thân thiện truyền qua.

Dụng cụ trên còn có thể sử dụng ở những nơi không có tín hiệu định giờ GPS, thí dụ trong sự lặn dưới biển sâu, trong khai khoáng hoặc nghiên cứu địa chấn. Đặc biệt, các đồng hồ trên có thể dùng trong những bộ cảm biến dưới nước dựa trên sự đo thời gian chính xác của tín hiệu địa chấn để thăm dò dầu khí. Trong trường hợp này, các đồng hồ trên mỗi bộ cảm biến sẽ cần thật chính xác, nhỏ gọn và chạy với công suất rất thấp để những bộ cảm biến có thể ở lại dưới nước trong những khoảng thời gian dài. CSAC chỉ đòi hỏi 10-20% công suất của những đồng hồ cảm biến hiện có, nhưng nó chính xác hơn khoảng100 lần.

Nguồn: physicsworld.com