芯片集成的冷原子磁光阱系統(tǒng)首次實現(xiàn)

據(jù)報道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊的鄒長鈴課題組將獨(dú)立設(shè)計的磁場芯片與光柵芯片結(jié)合，實現(xiàn)了基于雙芯片的冷原子磁光阱系統(tǒng)。相關(guān)成果 新近在線發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《應(yīng)用物理評論》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)域中有著廣泛的應(yīng)用。通過磁光阱獲得的冷原子系統(tǒng)是實現(xiàn)長相干時間量子比特，以及基于此的量子精密測量、量子模擬和量子計算等應(yīng)用的必要基礎(chǔ)。然而傳統(tǒng)的磁光阱系統(tǒng)在進(jìn)一步的可擴(kuò)展應(yīng)用上受到諸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。

目前，對于磁光阱的另一個重要組成部分——磁場線圈，仍然只能采用三維的線圈對來實現(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)重地阻礙光路，減小可供使用的光學(xué)窗口大小。為了解決這一問題，研究人員提出了一種全新的平面化磁場線圈構(gòu)型，僅需一塊3 cm×3 cm的芯片即可產(chǎn)生磁光阱所需的四極磁場。研究人員自主設(shè)計和加工了相互匹配的磁場芯片與光柵芯片，證明了這個新穎構(gòu)型的實用性。

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6.4 W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。