導讀：據美國國家標準與技術研究院（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鐘，實現無需GPS的導航，以及模擬量子系統的目標邁出了第一步。
（圖片來源：MIT）
背景冷卻原子相當于減慢它們的速度，使之更易于研究。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只是與其他粒子的短暫地相互作用，它們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，以作為眾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，NIST 物理學家比爾·菲利普斯（Bill Phillips）因為這一創舉獲得了1997年的諾貝爾物理學獎。盡管激光通常可以激發原子，使它們運動得更快，但是如果仔細選擇光的頻率和其他屬性，則會發生相反的情況。撞擊原子后，激光光子會降低原子的動量，一直到它們移動得足夠緩慢，以至于被磁場所捕獲。
但是要制備激光使其具有冷卻原子的特性，通常需要與餐廳桌子一樣大的光學組件。這個問題限制了這些超冷原子在實驗室外的使用。在實驗室外，它們可能成為高精度的導航傳感器、磁力計和量子模擬的關鍵元件。
（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緊湊的光學平臺，只有約15厘米（5.9英寸）長，可以冷卻并捕獲1厘米寬區域中的氣態原子。盡管科學家們已經建立了其他的微型冷卻系統，但這是第一個完全依靠易于量產的平面光學器件的系統。
麥吉希表示：“這很重要，因為它展示了一條制造真實器件的途徑，而不僅僅是小型的實驗室實驗。”這種新型光學系統，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多緊湊型、基于芯片的導航和量子器件中采用超冷原子邁出了關鍵一步。NIST 與馬里蘭大學學院公園分校合作的聯合量子研究所的研究人員，以及馬里蘭大學電子與應用物理研究所的科學家，也為這項研究做出了貢獻。
相關論文在線發表在《新物理學雜志》（New Journal of Physics）上。
技術
該儀器由三個光學元件組成。首先，光線從使用一種稱為“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500納米（大約是人類頭發絲厚度的五千分之一）的狹窄激光束拓寬為原來寬度的280倍。然后，放大的光束照射到經過精心設計的超薄薄膜，稱為“超表面”，上面布滿了細小的柱子，柱子的長度約為600納米，寬度為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。要使光束與大量原子有效地相互作用并對其進行冷卻，必須進行大幅拓寬。此外，通過在較小的空間區域內完成這一壯舉，超表面可以使冷卻處理變得小型化。
超表面以其他兩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，強度遵循鐘形曲線，在該曲線中，光線在光束中心最亮，而兩側則逐漸變暗。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。光的偏振對于激光冷卻來說也至關重要。
然后，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，四個光束向相反方向推動原子，以捕獲冷卻的原子。
光學系統的每個組件（轉換器、超表面、光柵）都是在 NIST 開發的，但是在 NIST 的兩個校區（分別位于馬里蘭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系統。
他表示：“這是這個故事中有趣的部分。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，以創建一個小型化的激光冷卻系統。”
麥吉希補充說，盡管光學系統必須再縮小10倍，從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，激光制備系統變得更小、更簡單，將使得基于激光冷卻的技術能在實驗室之外使用。”
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