美國國家標準與技術研究院（NIST）及其合作夥伴的物理學家展示了一種實驗性的下一代原子鐘 - 在高“光學”頻率下滴答作響 - 比平常小得多，僅由三個小芯片加上支持電子設備和光學。
從主圖可以看出，它比咖啡豆小。
在Optica中描述，芯片級時鐘基於銣原子的振動或“嘀嗒”，銣原子被限制在芯片上的一個稱為蒸氣室的微小玻璃容器中。
芯片上的兩個頻率梳就像齒輪一樣將原子的高頻光學刻度線連接到可以在應用中使用的較低的，廣泛使用的微波頻率。
基於芯片的新時鐘核心需要的功率非常小（僅為275毫瓦），並且隨著技術的進步，可能會變得足夠小以便於手持。
像這樣的芯片級光學時鐘最終可以取代導航系統和電信網絡等應用中的傳統振盪器，並作為衛星上的備用時鐘。
NIST研究員John Kitching說：“我們製造了一個光學原子鐘，其中所有關鍵部件都經過微加工，並協同工作以產生極其穩定的輸出。
“最終，我們希望這項工作能夠產生非常穩定的小型低功耗時鐘，並為便攜式電池供電設備帶來新一代精確定時。”
時鐘由NIST在加利福尼亞理工學院，斯坦福大學和馬薩諸塞州劍橋的Charles Stark Draper實驗室的幫助下建造。
標準原子鐘在微波頻率下工作，基於銫原子的自然振動 - 世界上第二個原子的主要定義。
以更高頻率運行的光學原子鐘提供更高的精度，因為它們將時間分成更小的單位並具有高“質量因子”，這反映了原子可以在沒有外界幫助的情況下自己打勾的時間。
預計光學時鐘將成為未來重新定義光學時鐘的基礎。
在NIST最初的芯片級原子鐘中，原子用微波頻率探測。
該時鐘的商業版本已成為需要高定時穩定性的便攜式應用的行業標準。
但它們需要初始校準，並且它們的頻率會隨時間漂移，從而導致嚴重的定時誤差。
緊湊的光學時鐘是一個可能的步驟。到目前為止，光學時鐘體積龐大且複雜，僅作為計量機構和大學的實驗。
已經廣泛研究了銣中的光學刻度以用作頻率標準並且足夠精確以用作長度標準。
NIST的銣蒸氣電池和兩個頻率梳以與計算機芯片相同的方式進行微加工。這意味著它們可以支持電子和光學的進一步集成，並且可以大規模生產 - 這是通向商業上可行的緊湊型光學時鐘的途徑。
NIST基於芯片的光學時鐘在4,000秒時的不穩定性為1.7 x 10-13 - 比芯片級微波時鐘好100倍。
時鐘的工作原理如下：
銣原子在太赫茲（THz）波段的光學頻率處嘀嗒。
這種滴答聲用於穩定稱為時鐘激光器的紅外激光器，該激光器通過兩個像齒輪一樣的頻率梳子轉換成千兆赫（GHz）微波時鐘信號。
一個以THz頻率工作的梳子跨越足夠寬的範圍以穩定自身。
THz梳與GHz頻率梳同步，用作鎖定到時鐘激光器的精細間隔標尺。
時鐘產生一個GHz微波電信號 - 可以通過傳統電子設備測量 - 穩定到銣的THz振動。
NIST表示，未來基於芯片的時鐘穩定性可以通過低噪聲激光器得到改善，並且通過更複雜的光學和電子集成減小其尺寸。
這項工作由國防高級研究計劃局和NIST on a Chip計劃資助。