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據(jù)美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）官網(wǎng)近日?qǐng)?bào)道，該研究院的科學(xué)家對(duì)將原子冷卻至絕對(duì)零度以上千分之一度所需的光學(xué)組件進(jìn)行了小型化處理。這項(xiàng)研究朝著在微芯片上應(yīng)用這些光學(xué)組件，以驅(qū)動(dòng)新一代超高精度的原子鐘，實(shí)現(xiàn)無需 GPS的導(dǎo)航，以及模擬量子系統(tǒng)的目標(biāo)邁出了第一步。
冷卻原子相當(dāng)于減慢它們的速度，使之更易于研究。室溫下，原子以接近聲速的速度（約每秒343米）在空氣中颼颼穿過。高速隨機(jī)移動(dòng)的原子只是與其他粒子短暫地相互作用，它們的運(yùn)動(dòng)使測(cè)量原子能級(jí)間的躍遷變得困難。當(dāng)原子緩慢爬行時(shí)（約每秒0.1米），研究人員可以精確地測(cè)量粒子的能量躍遷和其他量子特性，以作為眾多導(dǎo)航設(shè)備以及其他設(shè)備的參考標(biāo)準(zhǔn)。
20多年來，科學(xué)家用激光轟擊原子來冷卻它們，NIST物理學(xué)家比爾·菲利普斯（Bill Phillips）因?yàn)檫@一創(chuàng)舉獲得了1997年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。盡管激光通常可以激發(fā)原子，使它們運(yùn)動(dòng)得更快，但是如果仔細(xì)選擇光的頻率和其他屬性，則會(huì)發(fā)生相反的情況。撞擊原子后，激光光子會(huì)降低原子的動(dòng)量，一直到它們移動(dòng)得足夠緩慢，以至于被磁場(chǎng)所捕獲。
但是要制備激光使其具有冷卻原子的特性，通常需要與餐桌一樣大的光學(xué)組件。這個(gè)問題限制了這些超冷原子在實(shí)驗(yàn)室外的使用。在實(shí)驗(yàn)室外，它們可能成為高精度的導(dǎo)航傳感器、磁力計(jì)和量子模擬的關(guān)鍵元件。
NIST研究人員威廉·麥吉希（William McGehee）及其同事設(shè)計(jì)了一個(gè)緊湊的光學(xué)平臺(tái)，只有約15厘米（5.9英寸）長(zhǎng)，可以冷卻并捕獲1厘米寬區(qū)域中的氣態(tài)原子。盡管科學(xué)家們已經(jīng)建立了其他的微型冷卻系統(tǒng)，但這是第一個(gè)完全依靠易于量產(chǎn)的平面光學(xué)器件的系統(tǒng)。
麥吉希表示：“這很重要，因?yàn)樗故玖艘粭l制造真實(shí)器件的途徑，而不僅僅是小型的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)。”這種新型光學(xué)系統(tǒng)，雖仍然比安裝在微芯片上的尺寸大了10倍，但卻朝著在實(shí)驗(yàn)室外的眾多緊湊型、基于芯片的導(dǎo)航和量子器件中采用超冷原子邁出了關(guān)鍵一步。NIST與馬里蘭大學(xué)學(xué)院公園分校合作的聯(lián)合量子研究所的研究人員，以及馬里蘭大學(xué)電子與應(yīng)用物理研究所的科學(xué)家，也為這項(xiàng)研究做出了貢獻(xiàn)。
該儀器由三個(gè)光學(xué)元件組成。首先，光線從使用一種稱為“極限模式轉(zhuǎn)換器”的設(shè)備的光學(xué)集成電路發(fā)射出來。轉(zhuǎn)換器將最初直徑約為500納米（大約是人類頭發(fā)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(jīng)過精心設(shè)計(jì)的超薄薄膜，稱為“超表面”，上面布滿了細(xì)小的柱子，柱子的長(zhǎng)度約為600納米，寬度為100納米。
納米柱的作用是使激光束進(jìn)一步拓寬100倍。要使光束與大量原子有效地相互作用并對(duì)其進(jìn)行冷卻，必須進(jìn)行大幅拓寬。此外，通過在較小的空間區(qū)域內(nèi)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(shí)更改了光波的強(qiáng)度和偏振（振動(dòng)的方向）。通常來說，強(qiáng)度遵循鐘形曲線，在該曲線中，光線在光束中心最亮，而兩側(cè)則逐漸變暗。NIST研究人員設(shè)計(jì)了納米柱，以便微小結(jié)構(gòu)改變光的強(qiáng)度，創(chuàng)造出在整個(gè)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(duì)于激光冷卻來說也至關(guān)重要。
然后，經(jīng)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(duì)相等且反向的光束。結(jié)合施加的磁場(chǎng)，四個(gè)光束向相反方向推動(dòng)原子，以捕獲冷卻的原子。
光學(xué)系統(tǒng)的每個(gè)組件（轉(zhuǎn)換器、超表面、光柵）都是在NIST 開發(fā)的，但是在NIST的兩個(gè)校區(qū)（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(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行操作。麥吉希及其團(tuán)隊(duì)將不同的組件組合到一起以構(gòu)建新系統(tǒng)。
他表示：“這是這個(gè)故事中有趣的部分。我認(rèn)識(shí)NIST所有獨(dú)立研究這些不同組件的科學(xué)家，我意識(shí)到可以將這些不同的元件放在一起，以創(chuàng)建一個(gè)小型化的激光冷卻系統(tǒng)。”
麥吉希補(bǔ)充說，盡管光學(xué)系統(tǒng)必須再縮小10倍，從而在芯片上對(duì)原子進(jìn)行激光冷卻，但該實(shí)驗(yàn)原則上證明了這一點(diǎn)是可以做到的。
他表示：“最終，激光制備系統(tǒng)變得更小、更簡(jiǎn)單，將使得基于激光冷卻的技術(shù)能在實(shí)驗(yàn)室之外使用。”
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