據麥姆斯諮詢報道，美國科學家利用分子太赫茲（THz）範圍的諧振特性研發出與原子鐘性能幾乎無異的分子鐘，且只需要集成電路（IC）的通用工藝即可完成。
基於銫133或銣原子受激共振的原子鐘是目前廣泛使用的時鐘精度之王（每顆GPS衛星中都安裝有一個這樣的原子鐘），但它們成本高且體積相對較大。甚至用於如戰場的軍事任務同步特殊應用的芯片級原子鐘，價格也達1000美元。
不過，麻省理工學院（MIT）電氣工程與計算機科學系的團隊與其太赫茲集成電路團隊合作開發了一款與原子鐘性能不分伯仲的時鐘。這款時鐘採用IC的通用工藝，相應地減小了尺寸，並降低了功耗和成本。
這款“分子”時鐘依賴於測量分子羰基硫化物（OCS）暴露於某些頻率時的旋轉，這就是為什麼它被稱為“分子”而不是“原子”。（注：羰基硫化物更正式的表達為16O12C32S，一種化學化合物，也有其他常用的名稱和縮寫）
測量結果表明，分子鐘的平均誤差小於每小時1微秒，與微型原子鐘相當，比用於智能手機中的大眾型晶體振盪器時鐘高於4個數量級。更令人興奮的是，分子鐘完全是電子的，不需要笨重或耗電的支持組件對分子進行絕緣或激發，並且採用標準CMOS IC工藝製造。
研究團隊的論文《基於亞太赫茲旋轉光譜的片上全電子分子鐘》（An on-chip fully electronic molecular clock based on sub-terahertz rotational spectroscopy）發表於Nature Electronics，描述了原理、設計、操作以及測試。除概念之外，文中還說明了需要什麼樣的拓撲結構。
OCS和太赫茲頻率
為了提供該方法的基礎——分子共振，研究團隊增加了一個充滿OCS的“氣室”。IC在氣室內產生並掃描可變頻太赫茲信號，激發分子開始旋轉。同時，太赫茲接收器測量其旋轉能量並通過閉環裝置調節太赫茲振盪頻率。OCS分子達到旋轉角度峰值並顯示出非常接近231.060983GHz的信號響應峰值，這是它們的“自然”共振頻率。然後將該諧振頻率下的太赫茲源時鐘分頻以產生標準的一秒定時觸發的脈衝（one-pulse-per-second timing pulses）。
該團隊必須開發一種可控的可調太赫茲源。它是通過利用定製金屬結構和其他元件來實現的，以提高片上晶體管的性能。片上晶體管的主要用途是將初始低頻輸入信號轉換成太赫茲信號輸出。同時，團隊希望儘量降低功耗，該器件功耗僅為66mW。
該論文的作者得出結論：“我們的工作證明了在主流硅基芯片系統單片集成原子鐘級頻率參考的可行性。”論文除了提供對分子鐘和OCS的預期參考，還包含許多關於全尺寸芯片級原子鐘的設計、技術和構造的有趣追溯和教程參考。
這項工作得到了美國國家科學基金會職業成就獎（National Science Foundation CAREER award）、麻省理工學院林肯實驗室、麻省理工學院集成電路與系統中心以及德州儀器公司獎學金的支持。
延伸閱讀
參考消息網2018年7月19日報道 美媒稱，分子在受到某種頻率的電磁輻射時會進行恆定且可測量的自旋，利用這一點，美國麻省理工學院的研究人員開發出第一個可以計時的芯片分子鐘。這種芯片有朝一日能大大提高智能手機和其他消費設備的導航精度和性能。
據美國科技探索網站7月16日報道，如今最準確的計時工具是原子鐘。利用原子在受到某個特定頻率的電磁輻射時的穩定共振，這種時鐘可以精確地測量出一秒。全球定位系統（GPS）所使用的所有衛星中都安裝了幾個這樣的原子鐘。衛星把時間信號發送出去，智能手機和地面上其他接收器通過類似三角測量法的技術，對這些信號加以測算，可以準確確定自己的位置。
但是原子鐘既龐大，又昂貴。因此，智能手機採用準確度不太高的內置時鐘。這種內置時鐘依靠三個衛星信號來導航，而且仍有可能算錯位置。如果用更多的衛星信號加以修正，可以減少誤差，但這會降低導航系統的性能和速度。
報道稱，來自麻省理工學院電氣工程和計算機科學系和太赫茲集成電子集團的研究人員現在製造出一種芯片鍾。它使特定的分子接受某種精確的超高頻電磁輻射，從而導致分子自旋。當分子自旋引起最大的能量吸收時，一個輸出週期的時間被測得為一秒鐘。與原子的共振一樣，這種自旋非常穩定，足以使其充當一種精確計時參考。
報道稱，在實驗中，分子鐘的平均誤差低於每小時1微秒，與微型原子鐘相當，其穩定程度是採用晶體振盪器的智能手機內置時鐘的1萬倍。由於分子鐘實現了全電子化，不需要笨重而耗能的部件來隔離和激發原子，因此可以用低成本的互補金屬氧化物半導體集成電路技術來製造分子鐘，而這種技術也用於製造所有的智能手機芯片。
麻省理工學院電氣工程和計算機科學系副教授、分子鐘相關論文的作者之一韓若楠（音）說：“我們的設想是，未來不需要將大量資金用於在大多數設備上安裝原子鐘。相反，你只要在智能手機某個芯片的一角安裝一個小小的氣囊，然後一切就都能以原子鐘級別的精確度運行。”該論文13日發表在英國《自然・電子學》雜誌上。
報道稱，這種芯片級分子鐘也可用於在要求精確位置但幾乎不需要GPS信號的作業中進行更有效的計時。這類作業包括水下感應和戰場應用等。
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