芯片級原子鐘(英語:Chip-scale atomic clock,縮寫为CSAC)是使用微机电系统(MEMS)技术制造的紧凑型低功耗原子钟,并结合了低功耗半导体激光器作为光源。基于2001年的一项发明,2003年在國家標準技術研究所上展示了第一个芯片級原子鐘物理软件包[1][2]。这项工作是由美国国防部国防高级研究计划局(DARPA)资助的,目的是开发一种微芯片大小的原子钟,用于便携式设备。在军事装备中,当全球定位系统不可用时,有望为下岗士兵提供更好的位置和战场态势感知[3],但也可以设想许多民用应用。这些原子钟的商业生产始于2011年[4]。芯片級原子鐘是世界上最小的原子钟,其尺寸为4 x 3.5 x 1厘米(1.5 x 1.4 x 0.4英寸),重35克,仅消耗115毫瓦的功率,也可以在运行几年后将时间保持在每天100微秒以内[來源請求]。
常规的蒸气室原子钟大约是一副纸牌的大小,消耗约10瓦的电能,成本约为3,000美元。 将这些缩小到半导体芯片的大小需要大量的开发和一些突破[5]。开发的重要部分是设计该设备,以便在可能的情况下使用标准的半导体制造技术制造该设备,以使其成本保持足够低的水平,从而使其可以成为大众市场的设备。常规铯钟使用装有铯的玻璃管,要使其直径小于1厘米是很困难的。在芯片級原子鐘中,使用MEMS技术制造了尺寸仅为2立方毫米的铯胶囊。常规原子钟中的光源是铷气體放電燈,其体积庞大且消耗大量功率。在芯片級原子鐘中,这由在芯片上制造的垂直腔面發射激光器(VCSEL)代替,其光束向上辐射到其上方的铯囊中。另一个进步是消除了传统时钟中使用的微波腔(英语:Microwave cavity),该微波腔的大小等于微波频率的波长(约3厘米),构成了时钟大小的基本下限[5]。通过使用量子技术,相干的人口陷阱(英语:Coherent population trapping),空腔变得不必要。
^Leo Hollberg and John Kitching, Miniature frequency standard based on all-optical excitation and a micro-machined containment vessel, US Patent 6,806,784 B2., [2018-10-10], (原始内容于2021-03-22)
^Miniaturized Atomic Clock to Support Soldiers In Absence of GPS. Defense-Aerospace.com. [2020-04-19]. (原始内容于2018-10-11).
^Jones, Willie D. Chip-Scale Atomic Clock. IEEE Spectrum (Inst. of Electrical and Electronic Engineers). March 16, 2011 [February 2, 2017]. (原始内容于2020-04-08).