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美国激光冷却技术大突破 为在微芯片上使用超冷原子铺路

当原子慢到大约每秒0.1米,研究人员就可以准确地测量粒子的能量转换和其他量子特性,以作为无数导航和其他设备的参考标准。迄今为止,生产和捕获冷原子的光学平台往往庞大而笨重。在实验室里,它们可能成为高精度导航传感器、磁力计和量子模拟的关键元素。但是在实验室外,因为平台的庞大和复杂,而变得毫无用武之地。

据悉,美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家们已经将把这种可以将原子冷却到绝对零度以上千分之几度所需的光学元件微型化。这是在微芯片上使用它们来驱动新一代超精确的原子钟、实现无GPS导航和模拟量子系统的第一步,可以为利用冷原子的芯片级可制造设备开辟道路。

正如《新物理学杂志》(NJP)所描述的那样,该项目设计了一个约15厘米长的紧凑型光学平台,可以在1厘米宽的区域内冷却并捕获气态原子。NIST设计的架构完全依靠平面光学器件来实现激光冷却效果,据说这是第一个采用简单和可大规模生产的光学元件的此类系统。

研究人员还实现了在光栅型磁光阱(MOT)中使用平面光学器件进行光束发射、光束整形和偏振控制的原子Rb的激光冷却。利用MS-enabled光束整形技术实现了对可用光的有效利用,平面光学MOT的性能与高斯光束照明光栅MOT具有竞争性。

来自NIST和位于College Park的马里兰大学合作的联合量子研究所的研究人员,以及马里兰大学电子与应用物理研究所的科学家也为这项研究做出了贡献。

NIST的William McGehee说:"这很重要,因为它展示了一条制造真实设备的途径,而不仅仅是实验室实验的迷你版本。"

技术展示

该平台的基本原理是将自由空间光耦合到光子集成电路(PIC)中,然后有效地将PIC内的亚微米波导模式转换回厘米级的自由空间模式。利用PIC上的极端模态转换器(EMC)和作为非球面光束成形器的透射型介质MS的组合来扩展波导模式。当与施加的磁场相结合时,四束光束以相反的方向推动目标原子,起到冷却和捕获这些原子的作用。

基本的光束操纵是利用光子集成电路上的极端模态转换器(EMC)和一个介电元表面上钉有大约600×100纳米大小的柱子,作为非球面光束整形器的组合来进行的。

NIST对此补充道:"纳米支柱的作用是将激光束进一步拓宽100倍。这样戏剧性的拓宽是光束有效地与大型原子集合相互作用和冷却所必需的。此外,通过在一个小的空间区域内完成这一壮举,元表面使冷却过程小型化。"

然后,扩大和重塑的自由空间光束打到一个分段反射光栅芯片上,该芯片将光衍射成另外三对相等和相反方向的光束,在真空室内形成一个四束磁光阱(GMOT)。这四个光束结合外加的磁场,这四束光束以相反的方向推动原子,从而将冷却的原子捕获。

光学系统的每个组件(包括转换器、元表面和光栅)都是在NIST开发的,但实验分别是在NIST的两个校区(马里兰州盖瑟斯堡和科罗拉多州博尔德的独立实验室)中运行的。McGehee和他的团队将这些不同的组件整合在一起,构建了新的系统。

NIST团队表示,虽然现在必须将光学系统做得更小,才能在芯片上进行同样的操作,但平面光学设计的紧凑尺寸和稳健性应该有助于将该原理转移到原子钟、干涉测量和量子网络中使用。

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