Скляні комірки з атомами замінять кремній у надточних датчиках майбутнього

Більш точні системи навігації та вдосконалений бездротовий зв’язок незабаром можуть отримати імпульс для розвитку не від традиційної мікроелектроніки, а від самих атомів. Дослідники з Пенсільванського університету (Penn State) та Національного інституту стандартів і технологій США (NIST) розробили новий спосіб створення мініатюрних «розумних» скляних сенсорів, заповнених високостабільними атомами.

Результати дослідження, опубліковані в науковому журналі Nature Microsystems and Nanoengineering, описують технологію виробництва безкремнієвих «парових комірок» (герметичних камер із газом з атомів цезію та рубію). На відміну від штучних компонентів, усі атоми одного елемента фундаментально ідентичні, що робить їх ідеальними еталонами для вимірювань.

«Використання атомів для зондування є надзвичайно вигідним, оскільки фізика окремого атома досконало вивчена, і всі вони рівні між собою. Це забезпечує такий рівень точності, якого дуже важко досягти за допомогою традиційних мікросхем», — пояснює співавтор дослідження Даніель Лопес (Daniel Lopez), професор електротехніки та комп'ютерних наук у Penn State.

Сучасні навігаційні пристрої переважно покладаються на кварцові кристали для відліку часу. Проте вони мають похибку, схильні до дрейфу частоти й потребують постійної синхронізації із сигналами GPS. Атомні системи працюють інакше. Оскільки атоми є квантовими об’єктами, вони тримають час незрівнянно точніше і триваліший період без підключення до супутників. Ця стабільність може кардинально покращити навігацію там, де сигнали GPS слабкі або взагалі відсутні: у тунелях, густонаселених мегаполісах чи віддалених районах. Технологія також зробить безпечнішими безпілотні автомобілі, робота яких критично залежить від надточного позиціювання.

Головною проблемою «парових комірок» раніше були їхні габарити: історично це були видуті вручну скляні циліндри. Науковцям вдалося адаптувати методи виробництва напівпровідників (як для комп'ютерних чіпів) для масового виготовлення цих камер. Тепер їх роблять сотнями одночасно на плоских скляних пластинах, що радикально знижує вартість, час виробництва та відсоток браку.

Традиційні мікросхеми базуються на кремнії, але для високочастотних квантових датчиків цей матеріал є завадою. Кремній проводить електрику, що спотворює електричні поля на високих частотах. Новий повністю скляний процес передбачає з'єднання шарів термостійкого боросилікатного скла без жодної краплі кремнію.

«Якщо ви хочете виміряти електромагнітне поле за допомогою атомів, вам потрібно інкапсулювати їх у матеріали, які не мають рухомих електронів. Скло — чудовий приклад. У ньому вільних електронів майже немає», — каже Лопес.

Дослідження підтвердило, що створені комірки залишалися абсолютно герметичними й стабільними протягом майже трьох років тестування (проєктний термін служби для комерційного використання має становити близько 10 років).

Атоми в нових скляних комірках чудово реагують на високочастотні електромагнітні сигнали, зокрема на міліметрові хвилі, які використовуються у передових системах зв’язку (5G/6G) та радарах. Це відкриває шлях до створення універсальних компактних антен. Звичайну класичну антену потрібно фізично масштабувати під довжину хвилі, яку вона вловлює. Натомість атомні сенсори можна програмно налаштовувати на різні частоти, взагалі не змінюючи їхнього фізичного розміру.

Проєкт є результатом колаборації вчених та інженерів з Penn State та NIST. Технологією вже зацікавився комерційний сектор, зокрема відома скляна компанія Bullen, з якою наразі обговорюється запуск промислового виробництва. Наступним кроком команди стане інтеграція скляних комірок безпосередньо з фотонними та електронними компонентами для створення повноцінних квантових датчиків на одному чіпі. За оцінками дослідників, до появи перших комерційних пристроїв залишилося «всього кілька років».