分子钟可以大大改善智能手机导航

麻省理工学院的研究人员已经在芯片上开发出第一个分子钟，它使用分子的恒定，可测量的旋转 - 当暴露于一定频率的电磁辐射时 - 以保持时间。该芯片有朝一日可以显着提高智能手机和其他消费设备导航的准确性和性能。

今天最准确的计时器是原子钟。当暴露于特定频率时，这些时钟依赖于原子的稳定共振，以精确测量一秒钟。所有GPS卫星都安装了几个这样的时钟。通过“三角化”从这些卫星广播的时间信号 - 三角测量技术，使用三维数据进行定位 - 您的智能手机和其他地面接收器可以精确定位自己的位置。

但原子钟大而且昂贵。因此，您的智能手机的内部时钟精度要低得多，依赖于三个卫星信号进行导航，仍然可以计算出错误的位置。如果可以通过附加卫星信号进行校正，可以减少误差，但这会降低导航的性能和速度。当信号下降或变弱时 - 例如在信号反射建筑物或隧道周围的区域 - 您的手机主要依靠其时钟和加速度计来估计您的位置和您要去的地方。

麻省理工学院电气工程与计算机科学系(EECS)和太赫兹集成电子集团的研究人员现在已经建立了一个片上时钟，可以将特定的分子 - 而不是原子 - 暴露在精确的超高频率下，从而使它们旋转。当分子旋转引起最大能量吸收时，周期性输出被计时 - 在这种情况下是一秒钟。与原子的共振一样，这种自旋足够稳定，可以作为精确的定时参考。

在实验中，分子时钟平均误差小于1微秒/小时，与微型原子钟相当，比智能手机中的晶体振荡器时钟稳定10,000倍。由于时钟是完全电子的，并且不需要用于绝缘和激发原子的庞大，耗电的元件，因此它采用低成本，互补的金属氧化物半导体(CMOS)集成电路技术制造，用于制造所有智能手机芯片

“我们的愿景是，在未来，你不需要花费大量资金在大多数设备中使用原子钟。相反，你只需要在智能手机的芯片一角安装一个小气室，然后整个事情都以原子时钟级精度运行，“EECS的副教授，描述时钟的论文的共同作者Ruonan Han说道，今天在Nature Electronics上发表。

芯片级分子时钟还可用于需要定位精度但几乎不涉及GPS信号的操作中更有效的时间保持，例如水下传感或战场应用。

在论文中加入韩：王成，博士。学生和第一作者; 张毅，博士​​后; 所有来自EECS的研究生James Mawdsley，Mina Kim和Zihan Wang。

在20世纪60年代，科学家正式确定了一秒钟的9,192,631,770次辐射振荡，这是铯-133原子从低态到高态兴奋性所需的确切频率。因为该变化是恒定的，所以该精确频率可以用作一秒的可靠时间参考。基本上，每次发生9,192,631,770次振荡，一秒钟就会过去。

原子钟是使用该概念的系统。它们在铯-133原子上扫过一小段微波频率，直到最大数量的原子转变到它们的高态 - 这意味着频率恰好是9,192,631,770个振荡。当发生这种情况时，系统会计时一秒钟。它不断测试这些原子的最大数量是否处于高能状态，如果不是，则调整频率以保持正常。每140万年，最好的原子钟在误差的一秒内出现。

近年来，美国国防高级研究计划局推出了芯片级原子钟。但是这些对于消费者设备而言价格大约为1,000美元。为了缩小比例，“我们一起搜索不同的物理，”韩说。“我们不探究原子的行为;相反，我们探究分子的行为。”

研究人员的芯片功能与原子钟类似，但在暴露于某些频率时依赖于测量分子硫化羰(OCS)的旋转。连接到芯片的是充满OCS 的气室。电路沿着电池连续扫描电磁波的频率，使分子开始旋转。接收器测量这些旋转的能量并相应地调整时钟输出频率。在非常接近231.060983千兆赫兹的频率下，分子达到峰值旋转并形成尖锐的信号响应。研究人员将频率划分为一秒钟，将其与原子钟的官方时间相匹配。

“该系统的输出与已知数量相关 - 约231千兆赫兹，”韩说。“你想把一个对你有用的数量与一个物理常数的数量相关联，这个数量不会改变。那么你的数量就会变得非常稳定。”

一个关键的挑战是设计一种能够射出200千兆赫信号以使分子旋转的芯片。消费者设备组件通常只能产生几千兆赫兹的信号强度。研究人员开发了定制金属结构和其他可提高晶体管效率的元件，以便将低频输入信号转换为更高频率的电磁波，同时尽可能少地使用功率。该芯片仅消耗66毫瓦的功率。相比之下，常见的智能手机功能 - 如GPS，Wi-Fi和LED照明 - 在使用过程中可能会消耗数百毫瓦。

Han表示，这些芯片可用于水下传感，但GPS信号不可用。在这些应用中，声波射入海底并返回水下传感器网格。在每个传感器内部，附加的原子钟测量信号延迟，以精确定位例如海底石油的位置。研究人员的芯片可能是原子钟的低功耗和低成本替代品。

汉说，该芯片也可用于战场。炸弹通常在战场上被远程触发，因此士兵使用的设备可以抑制该地区的所有信号，因此炸弹不会爆炸。“士兵们自己再没有GPS信号，”韩说。“当用于本地导航的精确内部时钟变得非常必要时，这些就是其中之一。”

目前，原型在准备好接触消费者设备之前需要进行一些微调。研究人员目前计划进一步缩短时钟，将平均功耗降低到几毫瓦，同时将误码率再降低一到两个数量级。