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用便攜式電池就能給磁光阱充電？首次實現(xiàn)芯片集成的冷原子磁光阱系統(tǒng)
導讀：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。磁光阱作為對原子蒸氣進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。
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。磁光阱作為對原子蒸氣進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)的磁光阱系統(tǒng)在進一步的可擴展應(yīng)用上受到一些制約，例如多路自由空間光束對準、龐大的反亥姆霍茲線圈、以及磁場和光場中心的嚴格重合等挑戰(zhàn)。如何實現(xiàn)小型化乃至芯片化的磁光阱系統(tǒng)，引起了國際上研究人員的廣泛興趣。
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)，有著體積小、重量輕、光窗口豐富并且可延展性高的優(yōu)點，在移動式量子精密測量系統(tǒng)、集成化量子計算系統(tǒng)中都有著強大的潛力。然而對于磁光阱的另一重要組成部分——磁場線圈，仍然只能采用三維的線圈對來實現(xiàn)。如果將磁場線圈的尺寸變大，則需要更粗的導線和更強的電流來實現(xiàn)所學的磁場梯度，并且功耗大，發(fā)熱嚴重。但若是將線圈的尺寸減小，則線圈可能會嚴重阻礙光路，減小可供使用光學窗口大小。
近日，中國科技大學郭光燦院士團隊與盧征天教授合作，他們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。研究團隊自主設(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)型的實用性。他們所設(shè)計的兩種芯片尺寸小、重量輕、功耗低，騰出了更多的光學窗口。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，通過單束激光入射即可俘獲冷原子。這種磁場芯片僅需6.4w就能驅(qū)動，有望用便攜蓄電池為其供電，這項發(fā)現(xiàn)推動了磁光阱系統(tǒng)的進一步集成。
并且該項實驗中發(fā)現(xiàn)，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致的，并實驗驗證了這一磁光阱調(diào)控新特點，而這一點在傳統(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。相關(guān)成果以“Planar-integrated magneto-optical trap”為題3月10日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《Physical Review Applied》上。
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