チップスケール原子時計

チップスケール原子時計（CSAC）は、小型で低電力の原子時計で、微小電気機械システム（MEMS）技術を使用して製造され、低電力半導体レーザーを光源として組み込んでいます。最初のCSAC物理パッケージは、2001年の発明に基づいて、2003年に米国国立標準技術研究所（ NIST ）で実証されました^{[1] 。 [2]} この研究は、携帯機器で使用するためのマイクロチップサイズの原子時計の開発を目的として、米国国防総省の国防高等研究計画局（DARPA）によって資金提供されました。軍事機器では、GPSが利用できない場合に下車した兵士の位置と戦場の状況認識を向上させることが期待されていますが、^[3]多くの民間用途も想定されています。これらの原子時計の商業生産は2011年に始まりました。^[4] 世界最小の原子時計であるCSACは、サイズが4 x 3.5 x 1 cm（1.5 x 1.4 x 0.4インチ）、重さが35グラム、消費電力はわずか115mWで、数年間の運用で1日あたり100マイクロ秒以内に時間を保つことができます。ルビジウム原子の振動に基づくより安定した設計は、2019年にNISTによって実証されました。^[5]

他のセシウム原子時計と同様に、この時計は、セシウム 133原子の2 つの超微細エネルギー レベル間の電子スピン遷移によって放出される正確な 9.192631770 GHz のマイクロ波信号によって時間を計ります。フィードバック メカニズムによって、チップ上の水晶発振器がこの周波数にロックされたままになります。この周波数はデジタル カウンターによって分割され、出力ピンに提供される10 MHz および 1 Hzのクロック信号になります。チップ上では、シリコン マイクロマシニング技術を使用して製造された 2 mm の小さなカプセルに入った液体金属セシウムが加熱され、アルカリ金属が気化します。半導体レーザーが、マイクロ波発振器によって変調された赤外線ビームをカプセルを通して光検出器に照射します。発振器が遷移の正確な周波数にあるとき、セシウム原子の光吸収が減少し、光検出器の出力が増加します。光検出器の出力は、発振器を正しい周波数に保つための 周波数ロック ループ回路のフィードバックとして使用されます。

従来の蒸気セル原子時計はトランプ一組ほどの大きさで、消費電力は約 10 W、価格は約 3,000 ドルです。これを半導体チップのサイズまで縮小するには、大規模な開発といくつかのブレークスルーが必要でした。^[6] 開発の重要な部分は、デバイスを設計して、可能な限り標準的な半導体製造技術を使用して製造し、コストを低く抑えて大量生産できるようにすることでした。従来のセシウム原子時計は、セシウムを含むガラス管を使用しますが、これを 1 cm 未満にするのは困難です。CSAC では、MEMS技術を使用して、わずか 2 立方ミリメートルの大きさのセシウム カプセルを作成しました。従来の原子時計の光源はルビジウム 原子蒸気放電ランプですが、これはかさばり、大量の電力を消費します。CSAC では、これをチップ上に製造された赤外線垂直共振器面発光レーザー(VCSEL) に置き換え、そのビームを上向きに放射して上部のセシウム カプセルに送ります。もう一つの進歩は、従来の時計で使用されていたマイクロ波空洞が不要になったことである。マイクロ波空洞のサイズはマイクロ波周波数の波長に等しく、約3cmで、時計のサイズの基本的な下限を形成していた。^{[6]量子技術}であるコヒーレントポピュレーショントラッピング の使用により、空洞は不要になった。

CSACプログラムは、従来の原子時計の50分の1の電力で100分の1のサイズ削減を達成し、軍事および商業用途でCSACが広く使用されるようになりました。^{[7] [8]} 2023年10月のレポートによると、CSAC市場は2023年から2030年にかけて「驚くべき」複合年間成長率（CAGR）で成長すると予想されています。 ^{[9]主要な商業プレーヤーには、} Microsemi（Microchip Technology）、Teledyne、Chengdu Spaceon Electronics、AccuBeatなどがあります。 ^{[9] [10]}

NIST チップ