導讀：據美國國家標準與(yu) 技術研究院（NIST）官網近日報道，該研究院的科學家對將原子冷卻至絕對零度以上千分之一度所需的光學組件進行了小型化處理。這項研究朝著在微芯片上應用這些光學組件，以驅動新一代超高精度的原子鍾，實現無需GPS的導航，以及模擬量子係統的目標邁出了第一步。

（圖片來源：MIT）

背景冷卻原子相當於(yu) 減慢它們(men) 的速度，使之更易於(yu) 研究。室溫下，原子以接近音速的速度（約每秒343米）在空氣中颼颼穿過。高速隨機移動的原子隻是與(yu) 其他粒子的短暫地相互作用，它們(men) 的運動使測量原子能級間的躍遷變得困難。當原子緩慢爬行時（約每秒0.1米），研究人員可以精確地測量粒子的能量躍遷和其他量子特性，以作為(wei) 眾(zhong) 多導航設備以及其他設備的參考標準。

二十多年來，科學家用激光轟擊原子來冷卻它們(men) ，NIST 物理學家比爾·菲利普斯（Bill Phillips）因為(wei) 這一創舉(ju) 獲得了1997年的諾貝爾物理學獎。盡管激光通常可以激發原子，使它們(men) 運動得更快，但是如果仔細選擇光的頻率和其他屬性，則會(hui) 發生相反的情況。撞擊原子後，激光光子會(hui) 降低原子的動量，一直到它們(men) 移動得足夠緩慢，以至於(yu) 被磁場所捕獲。

但是要製備激光使其具有冷卻原子的特性，通常需要與(yu) 餐廳桌子一樣大的光學組件。這個(ge) 問題限製了這些超冷原子在實驗室外的使用。在實驗室外，它們(men) 可能成為(wei) 高精度的導航傳(chuan) 感器、磁力計和量子模擬的關(guan) 鍵元件。

（圖片來源：普渡大學量子中心）

創新

近日，NIST 研究人員威廉·麥吉希（William McGehee）及其同事設計了一個(ge) 緊湊的光學平台，隻有約15厘米（5.9英寸）長，可以冷卻並捕獲1厘米寬區域中的氣態原子。盡管科學家們(men) 已經建立了其他的微型冷卻係統，但這是第一個(ge) 完全依靠易於(yu) 量產(chan) 的平麵光學器件的係統。

麥吉希表示：“這很重要，因為(wei) 它展示了一條製造真實器件的途徑，而不僅(jin) 僅(jin) 是小型的實驗室實驗。”這種新型光學係統，雖仍然比安裝在微芯片上的尺寸大了10倍，但卻朝著在實驗室外的眾(zhong) 多緊湊型、基於(yu) 芯片的導航和量子器件中采用超冷原子邁出了關(guan) 鍵一步。NIST 與(yu) 馬裏蘭(lan) 大學學院公園分校合作的聯合量子研究所的研究人員，以及馬裏蘭(lan) 大學電子與(yu) 應用物理研究所的科學家，也為(wei) 這項研究做出了貢獻。

相關(guan) 論文在線發表在《新物理學雜誌》（New Journal of Physics）上。

技術

該儀(yi) 器由三個(ge) 光學元件組成。首先，光線從(cong) 使用一種稱為(wei) “極限模式轉換器”的設備的光學集成電路發射出來。轉換器將最初直徑約為(wei) 500納米（大約是人類頭發絲(si) 厚度的五千分之一）的狹窄激光束拓寬為(wei) 原來寬度的280倍。然後，放大的光束照射到經過精心設計的超薄薄膜，稱為(wei) “超表麵”，上麵布滿了細小的柱子，柱子的長度約為(wei) 600納米，寬度為(wei) 100納米。

（圖片來源：NIST）

納米柱的作用是使激光束進一步拓寬100倍。要使光束與(yu) 大量原子有效地相互作用並對其進行冷卻，必須進行大幅拓寬。此外，通過在較小的空間區域內(nei) 完成這一壯舉(ju) ，超表麵可以使冷卻處理變得小型化。

超表麵以其他兩(liang) 種重要方式重塑了光線，同時更改了光波的強度和偏振（振動的方向）。通常來說，強度遵循鍾形曲線，在該曲線中，光線在光束中心最亮，而兩(liang) 側(ce) 則逐漸變暗。NIST 研究人員設計了納米柱，以便微小結構改變光的強度，創造出在整個(ge) 寬度上具有均勻亮度的光束。均勻的亮度可以更有效地利用可用光線。光的偏振對於(yu) 激光冷卻來說也至關(guan) 重要。

然後，經過拓寬、重塑的光束照射到衍射光柵上，該衍射光柵將單束光束分成三對相等且反向的光束。結合施加的磁場，四個(ge) 光束向相反方向推動原子，以捕獲冷卻的原子。

光學係統的每個(ge) 組件（轉換器、超表麵、光柵）都是在 NIST 開發的，但是在 NIST 的兩(liang) 個(ge) 校區（分別位於(yu) 馬裏蘭(lan) 州的蓋瑟斯堡和科羅拉多州的博爾德）的不同實驗室中進行操作。麥吉希及其團隊將不同的組件組合到一起以構建新係統。

他表示：“這是這個(ge) 故事中有趣的部分。我認識 NIST 所有獨立研究這些不同組件的科學家，我意識到可以將這些不同的元件放在一起，以創建一個(ge) 小型化的激光冷卻係統。”

麥吉希補充說，盡管光學係統必須再縮小10倍，從(cong) 而在芯片上對原子進行激光冷卻，但該實驗原則上證明了這一點是可以做到的。

他表示：“最終，激光製備係統變得更小、更簡單，將使得基於(yu) 激光冷卻的技術能在實驗室之外使用。”