中國科大首次實(shí)現(xiàn)芯片集成的冷原子磁光阱系統(tǒng)
發(fā)布時間：2022-03-31 09:52
中國科大郭光燦院士團(tuán)隊與盧征天教授合作，在芯片化冷原子系統(tǒng)上取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊鄒長鈴課題組將獨(dú)立設(shè)計的磁場芯片與光柵芯片結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于雙芯片的冷原子磁光阱系統(tǒng)。相關(guān)成果以“Planar-integrated magneto-optical trap”為題3月10日在線發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Applied》上。
磁光阱作為對原子蒸氣進(jìn)行冷卻和俘獲的基本手段之一，在現(xiàn)代原子物理領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。通過磁光阱獲得的冷原子系綜是實(shí)現(xiàn)長相干時間量子比特，以及基于此的量子精密測量、量子模擬、量子計算等應(yīng)用的必要基礎(chǔ)。然而傳統(tǒng)磁光阱系統(tǒng)在進(jìn)一步的可擴(kuò)展應(yīng)用上受到一些制約，例如多路自由空間光束對準(zhǔn)、龐大的反亥姆霍茲線圈、以及磁場和光場中心的嚴(yán)格重合等挑戰(zhàn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)小型化乃至芯片化的磁光阱系統(tǒng)吸引了國際上研究人員的廣泛興趣。其中，基于光柵芯片的磁光阱極大地簡化了傳統(tǒng)磁光阱中六束空間光的入射系統(tǒng)，體積小，重量輕，光窗口豐富，可擴(kuò)展性高，在移動式量子精密測量系統(tǒng)、集成化量子計算系統(tǒng)中有強(qiáng)大的潛力。
然而對于磁光阱的另一重要組成部分——磁場線圈，大家仍然只能采用三維的線圈對來實(shí)現(xiàn)。如果磁場線圈的尺寸較大，則需要更粗的導(dǎo)線和更強(qiáng)的電流來實(shí)現(xiàn)所學(xué)的磁場梯度，功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重。如果將線圈的尺寸減小，則線圈可能會嚴(yán)重阻礙光路，減小可供使用光學(xué)窗口大小。為解決這一問題，鄒長鈴課題組與盧征天教授合作，提出了一種全新的平面化磁場線圈構(gòu)型，僅需一塊3cm×3cm的芯片即可產(chǎn)生磁光阱所需的四極磁場?；谥袊茖W(xué)技術(shù)大學(xué)的微納加工中心，他們自主設(shè)計和加工了相互匹配的磁場芯片與光柵芯片，并基于此成功地俘獲了超過106個低溫87Rb原子，證明了這個新穎構(gòu)型的實(shí)用性。
這兩種芯片尺寸小，重量輕，功耗低，騰出了更多的光學(xué)窗口。他們的使用也非常方便，可以將兩塊芯片疊在一起，僅需用透明膠固定在真空的玻璃窗口外面，通過單束激光入射即可俘獲冷原子。其中，磁場芯片只需6.4W即可驅(qū)動，有望用便攜蓄電池供電，推動了小型磁光阱系統(tǒng)的進(jìn)一步集成。
此外，這一工作還進(jìn)一步探索了新構(gòu)型下，磁光阱表現(xiàn)與各個參數(shù)之間的關(guān)系。實(shí)驗中觀察到，隨著磁場電流的增大，局部最優(yōu)的光場失諧也會隨之近似線性地增大。研究組從原子的能級構(gòu)型出發(fā)，提出這可能是由磁場的尺寸縮減導(dǎo)致的，并實(shí)驗驗證了這一磁光阱調(diào)控新特點(diǎn)，而這一點(diǎn)在傳統(tǒng)的三維大線圈構(gòu)型下恰恰容易被忽略。這個工作在實(shí)驗上觀察到了這一重要的物理現(xiàn)象，并提供了對磁光阱表現(xiàn)的新理解。
審稿人對該工作給予了高度評價：“我認(rèn)為這項工作將會吸引AMO領(lǐng)域的注意，在那里，光柵MOT和微型MOT技術(shù)正在成為人們的興趣，而且這個工作擁有實(shí)實(shí)在在的影響，并與實(shí)際應(yīng)用有著密切的聯(lián)系。（I think the work will be of interest to the AMO community, where grating MOTs and miniature MOT technologies are becoming of interest, and moreover, it will have real implications and has strong ties to concrete applications.）”“該工作有足夠的新見解（enough ‘new insight’）”。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室研究生陳梁為論文第一作者，鄒長鈴教授為論文通訊作者。本工作受到了國家重點(diǎn)研究研發(fā)項目、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金和國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗室（時間頻率與重力計量基準(zhǔn)）開放課題的資助。本工作相關(guān)成果已申請專利并已授權(quán)，專利號ZL 2020 1 0707864.2。
（文章來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）