芯片纸之战

近日,中国科大郭光灿院士团队与陆正田教授合作,在基于芯片的冷原子系统方面取得新进展,首次实现了基于双芯片的冷原子磁光阱系统。这一成果有助于实现量子精密测量、量子模拟和计算相关应用,如量子重力仪、量子存储器等。

磁光阱可以冷却和捕获原子蒸气,在现代原子物理中有着广泛的应用前景。磁光阱获得的冷原子系综是实现长相干时间量子比特以及在此基础上实现量子精密测量、量子模拟和计算等应用的必要基础。

然而,传统磁光阱系统在进一步可扩展应用方面受到部分限制,如多通道自由空间光束对准、巨大的反亥姆霍兹线圈、磁场与光场中心的严格重合等。因此,如何实现小型化甚至芯片化的磁光阱系统引起了国际上的广泛兴趣。其中,基于光栅芯片的磁光阱大大简化了传统磁光阱中六束空间光的入射系统,不仅体积小、重量轻、光学窗口丰富、可扩展性高,而且在移动量子精密测量系统和集成量子计算系统中具有巨大潜力。

但是对于磁光阱的另一个重要部分——磁场线圈,以前只能用三维线圈来实现。如果磁场线圈尺寸大,需要更粗的导线和更强的电流来实现所需的磁场梯度,导致功耗大,发热严重。如果减小线圈的尺寸,线圈可能会严重阻碍光路并减小可用的光学窗口尺寸。

因此,郭光灿院士团队邹长岭与陆正田教授合作,提出了一种全新的平面磁场线圈构型,只需要一个3cm的3cm芯片,就能产生磁光阱所需的四极磁场。他们以中国科学技术大学微纳加工中心为基础,自主设计加工了相互匹配的磁场芯片和光栅芯片,并以此为基础成功俘获了106多个低温87Rb原子,证明了这种新颖构型的实用性。他们结合自主设计的磁场芯片和光栅芯片,实现了基于双芯片的冷原子磁光阱系统。相关结果最近在线发表在《物理评论应用》杂志上。

前述团队设计的两种芯片体积小、重量轻、功耗低,腾出了更多的光学窗口。另外,用起来也很方便。两块芯片可以叠放在一起,只需要在真空玻璃窗外固定透明胶,单束激光束的入射就可以捕获冷原子。其中6.4W(瓦)的磁场芯片可以驱动,有望使用便携式蓄电池供电,这将促进小型磁光阱系统的进一步集成。

该团队进一步探索了磁光阱的性能与新配置下各种参数之间的关系。研究人员在实验中观察到,随着磁场电流的增加,局域最优光场的失谐量会近似线性增加。基于原子的能级构型,研究小组提出这可能是由磁场大小减小引起的,实验证实了这种磁光阱调控的新特征,这在传统的三维大线圈构型中容易被忽略。这项研究不仅在实验中观察到了这一重要的物理现象,而且对磁光阱的性能有了新的认识。

审稿人评论说:“我认为这项工作将吸引原子、分子和光学(AMO)的关注,在这些领域,光栅磁光阱(MOT)和micro MOT技术正在成为人们的兴趣,这项工作产生了真正的影响,并与实际应用密切相关。”

中国科学院量子信息重点实验室研究生陈亮是论文第一作者,邹长岭教授是论文作者。上述研究工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和市场监管国家重点实验室开放项目(时频与重力测量基准)的支持。相关成果已获得专利和授权。

校对:丁晓