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科研进展

2022年03月25日
中国科大首次实现芯片集成的冷原子磁光阱系统

我校郭光灿院士团队与卢征天教授合作,在芯片化冷原子系统上取得新进展。该团队邹长铃课题组将独立设计的磁场芯片与光栅芯片结合,实现了基于双芯片的冷原子磁光阱系统。相关成果以“Planar-integrated magneto-optical trap”为题3月10日在线发表于国际学术期刊《Physical Review Applied》上。

磁光阱作为对原子蒸气进行冷却和俘获的基本手段之一,在现代原子物理领域有广泛的应用。通过磁光阱获得的冷原子系综是实现长相干时间量子比特,以及基于此的量子精密测量、量子模拟、量子计算等应用的必要基础。然而传统磁光阱系统在进一步的可扩展应用上受到一些制约,例如多路自由空间光束对准、庞大的反亥姆霍兹线圈、以及磁场和光场中心的严格重合等挑战。因此,如何实现小型化乃至芯片化的磁光阱系统吸引了国际上研究人员的广泛兴趣。其中,基于光栅芯片的磁光阱极大地简化了传统磁光阱中六束空间光的入射系统,体积小,重量轻,光窗口丰富,可扩展性高,在移动式量子精密测量系统、集成化量子计算系统中有强大的潜力。

然而对于磁光阱的另一重要组成部分——磁场线圈,大家仍然只能采用三维的线圈对来实现。如果磁场线圈的尺寸较大,则需要更粗的导线和更强的电流来实现所学的磁场梯度,功耗大,发热严重。如果将线圈的尺寸减小,则线圈可能会严重阻碍光路,减小可供使用光学窗口大小。为解决这一问题,邹长铃课题组与卢征天教授合作,提出了一种全新的平面化磁场线圈构型,仅需一块3cm×3cm的芯片即可产生磁光阱所需的四极磁场。基于中国科学技术大学的微纳加工中心,他们自主设计和加工了相互匹配的磁场芯片与光栅芯片,并基于此成功地俘获了超过106个低温87Rb原子,证明了这个新颖构型的实用性。

这两种芯片尺寸小,重量轻,功耗低,腾出了更多的光学窗口。他们的使用也非常方便,可以将两块芯片叠在一起,仅需用透明胶固定在真空的玻璃窗口外面,通过单束激光入射即可俘获冷原子。其中,磁场芯片只需6.4W即可驱动,有望用便携蓄电池供电,推动了小型磁光阱系统的进一步集成。

此外,这一工作还进一步探索了新构型下,磁光阱表现与各个参数之间的关系。实验中观察到,随着磁场电流的增大,局部最优的光场失谐也会随之近似线性地增大。研究组从原子的能级构型出发,提出这可能是由磁场的尺寸缩减导致的,并实验验证了这一磁光阱调控新特点,而这一点在传统的三维大线圈构型下恰恰容易被忽略。这个工作在实验上观察到了这一重要的物理现象,并提供了对磁光阱表现的新理解。

审稿人对该工作给予了高度评价:“我认为这项工作将会吸引AMO领域的注意,在那里,光栅MOT和微型MOT技术正在成为人们的兴趣,而且这个工作拥有实实在在的影响,并与实际应用有着密切的联系。(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.)”“该工作有足够的新见解(enough ‘new insight’)”。

(a)传统四极线圈的概念示意图。(b)线圈芯片的概念示意图。(c)芯片线圈照片。(d)芯片线圈稳定电压和功率表征。(e), (f)芯片线圈轴、径向磁场分布表征。

双芯片磁光阱原理示意图(左)和所捕获冷原子的CCD成像照片(右)

中科院量子信息重点实验室研究生陈梁为论文第一作者,邹长铃教授为论文通讯作者。本工作受到了国家重点研究研发项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和国家市场监管重点实验室(时间频率与重力计量基准)开放课题的资助。本工作相关成果已申请专利并已授权,专利号ZL 2020 1 0707864.2。

文章链接:

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.17.034031

(中科院量子信息重点实验室、中科院量子信息和量子科技创新研究院、科研部)

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