Con apenas el tamaño de una caja de cerillas, la nueva generación de relojes atómicos a escala de chip (CSAC, por sus siglas en inglés), desarrollada por Tianjin Huaxintai Technology Co., está lista para permitir una cronometría de alta precisión en la exploración petrolera en aguas profundas, los satélites comerciales y las redes eléctricas inteligentes.

Esta «caja mágica del tiempo» tiene un volumen de tan solo 8 cm³ y un consumo de energía de 0,15 vatios; sin embargo, es capaz de mantener la hora de forma autónoma, sin necesidad de señales satelitales, con una desviación inferior a un segundo cada 10.000 años. En 2023, China puso en marcha su primera —y, por el momento, única— línea de producción de CSAC, rompiendo así el monopolio extranjero que existía previamente sobre esta tecnología crítica, tras una ardua batalla de 13 años contra obstáculos de física e ingeniería que parecían insuperables.

Domesticando la temperatura y la señal.

El camino hacia la producción de los CSAC comenzó con una aparente sencillez. «Al principio éramos optimistas», recuerda Liu Ruiyuan, gerente general de Huaxintai. «Los principios ya se conocían». No obstante, su primer prototipo resultó ser un fracaso, ya que no lograba detectar la señal óptica ultra débil necesaria para sintonizar con las frecuencias de transición atómica. Habían construido un «reloj muerto».

El problema residía en el ruido ambiental. La señal crítica generaba apenas unas milésimas de la potencia de la intensidad del láser y podía quedar completamente enmascarada por minúsculas fluctuaciones de temperatura. Para solucionar este inconveniente, el equipo desarrolló un chip de control de temperatura microfluídico, elevando la precisión de 0,1 °C a unos extraordinarios 0,001 °C. Esto permitió, por fin, que la señal emergiera por encima del ruido ambiental.

Lamentablemente, la señal seguía siendo inestable.

Durante cuatro años, y a través de cientos de ensayos, el equipo centró sus esfuerzos en la celda de vapor atómico: el «corazón» del dispositivo. El tipo y la proporción de los gases amortiguadores contenidos en dicha celda resultaron ser la clave. Tras un sinfín de experimentos, una señal estable apareció finalmente en el monitor. El reloj atómico estaba «vivo». Esta fase demostró que dominar la física cuántica es solo el primer paso; Dominar la integración de microsistemas y la ciencia de materiales es donde comienza la verdadera innovación.

Ingeniería del vacío perfecto.

Transformar un prototipo de laboratorio en un producto fiable requirió resolver el desafío del encapsulado al vacío. Todo el conjunto físico debía sellarse dentro de una cavidad cerámica de 1 cm³, exigiendo una tasa de fuga extremadamente baja para garantizar una vida útil de 10 años.

Una fuga apenas diez veces mayor duplicaría el consumo de energía y comprometería gravemente el rendimiento.

Los intentos iniciales, realizados con hornos de soldadura estándar, no lograron generar el vacío necesario. «Cada unidad es costosa y solo podíamos fabricar una o dos por semana; la mayoría terminaba convertida en chatarra», comentó Liu, señalando una pila de unidades fallidas. Tras seis meses de resultados inconsistentes, el equipo abandonó las herramientas comerciales convencionales y codesarrolló una soldadora de vacío personalizada, equipada con un mecanismo de movimiento. Esto implicó superar tres desafíos fundamentales: lograr una alineación de precisión bajo calor extremo, controlar las salpicaduras de soldadura y optimizar las curvas de calentamiento.

El equipo de I+D trabajó en condiciones extremas: una fábrica abandonada en Daxing (Beijing), con temperaturas estivales superiores a los 40 °C y un frío invernal tan intenso que les entumecía las manos. Una sola soldadura requería más de 20 horas de monitoreo continuo, con equipos trabajando por turnos para ajustar los parámetros. En julio de 2020, tras cuatro años de esfuerzo, se logró finalmente un sellado al vacío fiable, transformando una posibilidad experimental en una realidad de ingeniería lista para la producción.

Construcción de una línea de producción.

A pesar de contar con un producto funcional, la producción manual resultaba insostenible. Diez técnicos, armados con pinzas y trabajando bajo microscopios, apenas lograban producir entre 200 y 300 unidades al año, una cifra muy inferior a los miles de unidades requeridas para los proyectos nacionales. «Una de las principales ventajas de los CSAC es la producción en masa», afirmó Liang Xiaopeng, presidente de Huaxintai. «Teníamos que construir una línea de producción».

Al no contar con referencias nacionales que seguir, el equipo diseñó todo desde cero. La pieza física más pequeña mide apenas 0,2 mm (el equivalente al grosor de dos cabellos), lo que exigía sistemas de precisión a nivel micrométrico. Muchos proveedores de equipos de automatización no pudieron ofrecer su ayuda debido a la complejidad de la tarea. Además, para automatizar el proceso manual, fue necesario rediseñar por completo tanto los materiales como los flujos de trabajo.

Para superar estos desafíos, Huaxintai estableció una colaboración con el Instituto de Física de la Academia China de Ciencias, aprovechando sus equipos para semiconductores y sus capacidades de procesamiento a escala micro y nanométrica. Mediante pruebas iterativas, establecieron los parámetros de proceso óptimos.

Al perfeccionar continuamente los equipos y procesos, el equipo logró elevar el rendimiento de la producción por encima del 98 por ciento. En el verano de 2023, la primera línea de producción de CSAC de China —con una capacidad anual de 30.000 unidades— entró en funcionamiento en la Zona de Alta Tecnología de Binhai, en Tianjin.

«Este componente ha impulsado a toda una industria», afirmó Liang. La disponibilidad de CSAC de fabricación nacional ha posibilitado una exploración sísmica basada en nodos de mayor precisión, y su aplicación se está expandiendo hacia los satélites comerciales y las redes eléctricas inteligentes.

El siguiente objetivo es ampliar la capacidad a 100.000, o incluso un millón, de unidades anuales, al tiempo que se colabora con los principales institutos de investigación para desarrollar productos aún más avanzados. El discreto «tic-tac» de este diminuto reloj no solo marca el paso del tiempo, sino también el latido de la innovación china: un cambio decisivo del «Hecho en China» al «Creado en China».