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美NIST新型激光冷却技术助推芯片级冷原子设备研发

发布时间: 2021-02-08 14:28:04   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家们将原子冷却至绝对零度之上千分之几度所需的光学元件小型化,以将其应用于微型芯片中,从而助推新一代超高精确原子钟的研发,使非GPS导航和模拟量子系统成为可能。

“冷却”原子即减速原子的运动。室温下,原子以接近音速的速度在空气中运动,速度约为343米/秒。快速、随机运动的原子与其他粒子之间只有短暂的相互作用,原子的运动使得科学家们很难测量原子能级之间跃迁。当原子的运动速度减至每秒0.1米时,研究人员就可以精确地测量粒子的能量跃迁以及其他量子特性,以在各类导航和其他设备中作为参考标准使用。

二十多年来,科学家们一直使用激光束轰击来冷却原子,NIST物理学家Bill Phillips因此获得了1997年的诺贝尔物理学奖。虽然在通常情况下,激光会激发原子,使其移动更快,但是如果选择特定的激光频率和其他特性,也可能起到相反效果。激光照射原子时,激光中的光子会降低原子的动量,直到原子的移动速度降低到可以被磁场捕获。

 

 

为了产生可以冷却原子的激光,所需的光学组件通常有一张餐桌那么大。这种大体积的光学组件,限制了超冷原子在实验室之外的应用。如果能够摆脱这种限制,超冷原子将在高精确导航传感器、磁强计和量子模拟等领域发挥重要作用。

如今,NIST的William McGehee研究员及其同事们设计了一个紧凑的光学平台,长度仅有15厘米(5.9英寸),可以在1厘米宽的区域内冷却和捕获气态原子。尽管此前已有一些小型冷却系统问世,然而这台是首个完全依靠平面光学的系统,因此很容易批量生产。

“这一点非常重要,因为这意味着原子冷却器件不再是只能用于实验室的小众版本,而有可能实现真正的量产。”McGehee说。尽管新系统仍然比微芯片大10倍左右,但它是在实验室之外的小型、基于芯片的导航和量子设备中使用超冷原子的关键一步。来自联合量子研究所(由NIST和马里兰大学帕克分校组成的合作组)的研究人员,以及来自马里兰大学电子与应用物理系的研究者们也为这项研究做出了贡献。

在线发表于“New Journal of Physics”期刊上的文章描述了这一装置。它由三个光学元件组成:首先,光通过一种叫做极端模式转换器(extreme mode converter, EMC)的设备从一个光学集成电路发射,转换器将直径500纳米的狭窄激光束展宽280倍;放大后的光束照射到一种被称为“超表面”的精心设计的超薄薄膜上,该薄膜上布满了大约600纳米长、100纳米宽的小柱,这些纳米柱的作用是将激光束进一步加宽100倍;激光束的急剧加宽,目的是使光束有效地与大量原子相互作用,并冷却这些原子。此外,超表面使得这一过程在很小的空间内即可完成,大大缩小了冷却过程。

此外,超表面以另外两个重要的方式重塑光,即同时改变光波的强度和偏振。通常情况下,光线强度遵循钟形曲线,光束中心最亮,往两侧逐渐减弱。NIST的研究人员们设计了纳米柱以改变光线强度,产生一束在整个宽度上亮度均匀分布的光束。均匀的亮度可以更有效地利用光线。此外,光的偏振对激光冷却也至关重要。

随后,经过拓宽和整形的光束照射到衍射光栅上,光栅将单束光束分成三对方向相反、强度一致的光束。在外加磁场的作用下,四束光束以相反的方向推动原子,从而捕获冷却的原子。

光学系统的每个组件——转换器、超表面和光栅——都是由NIST开发,在NIST两个校区(马里兰州盖瑟斯堡和科罗拉多州博尔德)的不同实验室中运行。McGehee和他的团队将不同的组件组合在一起,组建了新的系统。他说:“最有趣的是,我认识所有独立研究这些不同组件的NIST科学家们,随后我意识到,可以将这些元件组合在一起,制造出一个微型激光冷却系统。”

要想实现在芯片上激光冷却原子,现有的光学系统必须要再缩小十倍,但是此项研究“证明了激光冷却芯片可被实现”,McGehee补充道。他说:“最终,激光发射系统的体积可以变得更小、更简单,从而实现在实验室之外使用基于激光冷却的技术。”

 
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