MIT araştırmacıları, zamanı tutmak için belirli bir elektromanyetik radyasyon frekansına maruz kaldıklarında moleküllerin sabit, ölçülebilir rotasyonunu kullanan, bir çip üzerinde ilk moleküler saati geliştirdiler. Çip, bir gün akıllı telefonlarda ve diğer tüketici cihazlarında navigasyonun doğruluğunu ve performansını önemli ölçüde artırabilirdi.
Bugünün en doğru zaman takipçisi; atomik saatlerdir. Bu saatler, belirli bir frekansa maruz kaldıklarında, tam olarak bir saniye ölçmek için atomların sabit rezonansına dayanır. Tüm GPS uydularında bu tür saatler yüklü. Bu uydulardan yayınlanan “trilaterating*” zaman sinyalleri ile, akıllı telefon ve diğer yer alıcıları kendi konumlarını belirleyebilir.
*Trilaterating: Konumlandırma için 3 boyutlu veri kullanan üçgenleme gibi bir tekniktir.
Ancak atomik saatler büyük ve pahalıdır. Bu sebeple akıllı telefonlar; navigasyon için üç uydu sinyaline dayanan ve çoğu kez yanlış yerleri hesaplayan, çok daha az hassas bir dahili saate sahiptir. Varsa, ek uydu sinyallerinden gelen düzeltmelerle hatalar azaltılabilir. Ancak bu, navigasyonun performansını ve hızını düşürür. Sinyaller zayıfladığında veya kesildiğinde telefon; öncelikle saati, bulunduğu yeri ve nereye gidileceğini tahmin etmek için, bir ivmeölçer kullanır.
MIT Elektrik Mühendisliği ve Bilgisayar Bilimleri (EECS) ve Terahertz Integrated Electronics Group’un araştırmacıları; belirli molekülleri, bu moleküllerin dönmesini sağlayacak yüksek frekansa maruz bırakan, çip üzerinde bir saat inşa ettiler. Moleküler rotasyonlar maksimum enerji emilimine neden olduğunda, periyodik bir çıkış zamanlanır: Bir saniye… Atomların rezonansında olduğu gibi, bu dönüş; hassas zamanlama referansı olarak hizmet edebilecek kadar güvenilirdir.
Deneylerde, moleküler saat; saatte 1 mikrosaniyenin altında hatayı, minyatür atomik saatlerle karşılaştırılabilir. Ayrıca akıllı telefonlardaki kristal-osilatör* saatlerinden 10,000 kat daha kararlıdır. Saat; tamamen elektronik olduğundan, atomları yalıtmak ve harekete geçirmek için kullanılan büyük, power-hungry (enerji isteyen) bileşenleri gerektirmez. Bu yüzden akıllı telefon çipleri; düşük maliyetli, tamamlayıcı metal oksit-yarı iletken (CMOS) entegre devre teknolojisi ile üretilmiştir.
*Kristal osilatör: Piezoelektrik etkiyi kullanarak, salınım yapan osilatör çeşididir.
Çip-ölçekli moleküler saat ayrıca, konum hassasiyeti gerektiren; su altı algılama veya savaş alanı uygulamaları gibi çok az GPS sinyali içeren operasyonlarda daha verimli zaman tasarrufu için de kullanılabilir.
1960’larda bilim insanları resmen bir saniyede 9.192.631.770 radyasyon salınımı tanımladılar. Bu da sezyum-133 atomlarının düşük bir durumdan, yüksek bir uyarılabilirlik durumuna geçmesi için gereken frekanstır. Bu değişiklik sabit olduğu için, bu tam frekans; ‘saniyenin güvenilir zaman referansı’ olarak kullanılabilir. Esasen, her saniyede 9.192.631.770 salınım meydana gelir.
Atomik saatler bu kavramı kullanan sistemlerdir. Sezyum-133 atomları boyunca dar bir mikrodalga frekansı geçirirler. Atomların sayısı maksimuma gelene kadar; yani frekans 9.192.631.770 salınım olarak belirlenir. Böylece sistem saniyede ölçüm yapar. Sürekli olarak bu atomların maksimum sayısının yüksek enerjide olmasını sağlar ve eğer devam etmediğini gözlemlerse, frekansı ayarlar. En iyi atomik saatlerde; her 1.4 milyon yılda saniyede bir hata gelir.
Son yıllarda, ABD Savunma İleri Araştırma Projeleri Ajansı; çip ölçekli atomik saatleri tanıttı. Ama bunların her biri yaklaşık 1.000 dolar tutarında ve tüketici cihazları için çok pahalı.
EECS Yardımcı Doçent Ruonan Han: “Ölçeği küçültmek için, hep birlikte farklı fizik aradık. Atomların davranışlarını soruşturmuyoruz; daha ziyade, moleküllerin davranışlarını araştırıyoruz.”
Çip, atomik bir saate benzer şekilde çalışır; ancak belirli frekanslara maruz kaldığında molekülün karbonil sülfür‘ünün (OCS) dönüşünü ölçmeye dayanır. Bu; çipe bağlı OCS ile dolu bir gaz hücresidir. Bir devre sürekli olarak, hücreler boyunca elektromanyetik dalgaların frekanslarını süpürerek, moleküllerin dönmeye başlamasına neden olur. Alıcı bu rotasyonların enerjisini ölçer ve saat çıkış frekansını buna göre ayarlar. 231.060983 gigahertz‘e çok yakın bir frekansta, moleküller en yüksek dönüşe ulaşır ve keskin bir sinyal tepkisi oluşturur. Araştırmacılar; bu frekansı tam olarak bir saniyeye böldü ve atomik saatlerden resmi zamanla eşleştirdi.
Han: “Sistemin çıktısı bilinen numaraya bağlı: Yaklaşık 231 gigahertz… Yararlı olan bir miktarı fiziksel sabit olan, değişmeyen bir miktarla ilişkilendirmek istiyoruz. Böylece miktar; çok kararlı hal almış oluyor.”
Çalışmada en önemli aşama ise; bir molekülü döndürmek için 200 gigahertz sinyali çıkarabilen bir çip tasarlamaktı. Tüketici cihaz bileşenleri; genellikle sadece birkaç gigahertz sinyal gücü üretebilir. Araştırmacılar, düşük frekanslı bir giriş sinyalini daha yüksek frekanslı bir elektromanyetik dalgaya dönüştürmek için; mümkün olduğunca az güç kullanırken, transistörlerin etkinliğini arttıran özel metal yapıları ve diğer bileşenleri de geliştirdi. Çip; sadece 66 miliwatt güç tüketiyor. Karşılaştırmak gerekirse; yaygın akıllı telefon özelliklerin; (GPS, Wi-Fi ve LED aydınlatma gibi) kullanım sırasında yüzlerce miliwatt tüketebildiği gözlenebilir.
Han; GPS sinyallerinin bulunmadığı yerlerde su altı algılama için de kullanılabileceğini söylüyor. Bu uygulamalarda; sonik dalgalar okyanus tabanına çekilir ve su altı sensörleri şebekesine geri döner. Her bir sensörün içinde, bağlı bir atom saati; okyanus tabanının altındaki petrolün yerini belirlemek için, sinyal zamanını ölçer. Bu açıdan da yine çip; atomik saatlere düşük güç ve düşük maliyetli bir alternatif olabilir.
Ayrıca çip; savaş alanında da kullanılabilir. Bombalar genellikle savaş meydanlarında uzaktan tetiklenir. Bu yüzden; askerler bombaların gitmemesi için bölgedeki tüm sinyalleri baskılayan ekipman kullanırlar.
Han: “Askerlerin artık GPS sinyalleri yok. Bunlar yerel navigasyon için doğru bir dahili saatin çok gerekli olduğu yerlerdir.”
Şu anda, prototip; tüketici cihazlarına ulaşmaya hazır olmadan önce bazı ince ayarlara ihtiyaç duyuyor. Araştırmacılar, şu anda saati daha da küçültme ve ortalama güç tüketimini birkaç milivata; hata oranını ise bir ya da iki büyüklük derecesiyle azaltma planlarına sahip.
