用便攜式電池就能給磁光阱充電？首次實(shí)現(xiàn)芯片集成的冷原子磁光阱系統(tǒng)

2022-03-28 10:25:57來(lái)源：化工儀器網(wǎng) 閱讀量：135 評(píng)論

　　磁光阱是一種囚禁中性原子的有效手段，其系統(tǒng)是一種用于數(shù)學(xué)領(lǐng)域的分析儀器，這種儀器能夠用于激光冷卻囚禁住超冷的銣原子團(tuán)。磁光阱作為對(duì)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(guò)磁光阱獲得的冷原子系綜是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)相干時(shí)間量子比特，以及基于此的量子精密測(cè)量、量子模擬、量子計(jì)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)用上受到一些制約，例如多路自由空間光束對(duì)準(zhǔn)、龐大的反亥姆霍茲線圈、以及磁場(chǎng)和光場(chǎng)中心的嚴(yán)格重合等挑戰(zhàn)。如何實(shí)現(xiàn)小型化乃至芯片化的磁光阱系統(tǒng)，引起了國(guó)際上研究人員的廣泛興趣。

　　光柵芯片的磁光阱極大地簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)磁光阱中六束空間光的入射系統(tǒng)，有著體積小、重量輕、光窗口豐富并且可延展性高的優(yōu)點(diǎn)，在移動(dòng)式量子精密測(cè)量系統(tǒng)、集成化量子計(jì)算系統(tǒng)中都有著強(qiáng)大的潛力。然而對(duì)于磁光阱的另一重要組成部分——磁場(chǎng)線圈，仍然只能采用三維的線圈對(duì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果將磁場(chǎng)線圈的尺寸變大，則需要更粗的導(dǎo)線和更強(qiáng)的電流來(lái)實(shí)現(xiàn)所學(xué)的磁場(chǎng)梯度，并且功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重。但若是將線圈的尺寸減小，則線圈可能會(huì)嚴(yán)重阻礙光路，減小可供使用光學(xué)窗口大小。

　　近日，中國(guó)科技大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)與盧征天教授合作，他們提出了一種全新的平面化磁場(chǎng)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(chǎng)。研究團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)和加工了相互匹配的磁場(chǎng)芯片與光柵芯片，并基于此成功地俘獲了超過(guò)106個(gè)低溫87Rb原子，證明了這個(gè)新穎構(gòu)型的實(shí)用性。他們所設(shè)計(jì)的兩種芯片尺寸小、重量輕、功耗低，騰出了更多的光學(xué)窗口。并且在使用上也非常方便，將兩塊芯片疊在一起，僅需用透明膠將其固定在真空的玻璃窗口外面，通過(guò)單束激光入射即可俘獲冷原子。這種磁場(chǎng)芯片僅需6.4w就能驅(qū)動(dòng)，有望用便攜蓄電池為其供電，這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了磁光阱系統(tǒng)的進(jìn)一步集成。

　　并且該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著磁場(chǎng)電流的增大，局部最優(yōu)的光場(chǎng)失諧也會(huì)隨之近似線性地增大。研究組從原子的能級(jí)構(gòu)型出發(fā)，提出這可能是由磁場(chǎng)的尺寸縮減導(dǎo)致的，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(gè)工作在實(shí)驗(yàn)上觀察到了這一重要的物理現(xiàn)象，并提供了對(duì)磁光阱表現(xiàn)的新理解。相關(guān)成果以“Planar-integrated magneto-optical trap”為題3月10日在線發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《Physical Review Applied》上。

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