英国研究人员设计出新冷原子源装置可用于便携式量子技术设备

来源：智东西　2021-06-23 10:08:30

据美国媒体《每日科学(Science Daily)》报道，近日，英国牛津大学和伯明翰大学的研究人员设计出了一种新冷原子源装置，可用于便携式量子技术设备，并发表在光学领域权威杂志《光学快报(Optics Express)》上。

这种新金字塔形冷原子源装置只需要 4 个反射镜就可以将激光从各个方向照射到真空中的原子上，并形成独特可调节光圈，可调节通量，实现提高设备测量精度等性能。

该论文题目为《高通量、可调、紧凑的冷原子源(High-flux, adjustable, compact cold-atom source)》，于 6 月 5 日发表在《光学快报》上。

一、激光冷原子设备，提高量子技术精确度

基于激光冷却原子的量子技术使用已经促进了国家层面上用于计时的原子钟发展。精确时钟在电子通信和导航系统(如 GPS)的同步中有许多应用，紧凑型原子钟可以更广泛地部署在包括太空在内等多种环境中，能为通信网络提供弹性，保证即使网络中断，本地时钟也可以确保准确计时。

尽管这看起来有违常理，但激光可以通过施加使原子减速的力，来将原子冷却到极低的温度。

目前很多科学家都在开发紧凑型激光冷原子设备。这种设备除了应用于计时之外，还可以用于重力测量、惯性导航和通信的天基实验中，以及可以用来进行广义相对论、暗物质、引力波等物理研究。

这种冷原子装置的关键组件是冷原子源，它产生一束激光冷却原子，定向到精确测量的区域。这允许同时存在用于测量的低环境压力和庞大原子群，与单室冷原子系统形成鲜明对比。单室冷原子系统直接在测量位置产生原子，因此需要在测量的低压和快速原子生成的高压之间进行权衡。

二、可调节光圈，调控灵活、组装简化

激光冷却原子通常需要复杂的反射镜排列，才能将光从各个方向照射到真空中的原子上。在这项新研究中，研究人员创造了一个完全不同的设计，在基于金子塔形磁光井(Magneto-optical trap，MOT)的高通量紧凑型冷原子源中只使用了四个反射镜，这款冷原子源带有独特可调节光圈，非常适合便携式量子技术设备。

四个相同的反射镜位于圆形“旋转器”板上的直形凹槽中：凹槽将每个反射镜限制在单个方向上滑动。旋转板位于圆形“底座”板上，具有类似但弯曲的插槽。每个反射镜都有一个通过旋转器和底板的插槽螺栓，可以拧紧以固定反射镜。因此，这些板相对于彼此的旋转导致反射镜的同步运动。这实现了可调整光圈大小(定义为方形光圈的一侧长度)，同时保持反射镜的正确角度并避免接触或刮擦。

简单来说，就是冷原子源的四个反射镜像金字塔一样排列，并以一种让它们能够像花瓣一样相互滑过的方式在金字塔顶部形成一个洞，冷原子通过该洞被推出。可以调整该孔的大小以优化出用于各种应用的冷原子流。

金字塔排列的镜子反射来自单个入射激光束的光，该激光束通过单个视口进入真空室，从而大大简化了光学器件。这些位于冷原子源真空区域内的反射镜是通过抛光金属并施加介电涂层制成的。

研究负责人克里斯托弗・富特(Christopher Foot)说：“这种设计的可调节性是一个全新的功能，用四个相同的抛光金属块创建金字塔简化了组装，无需调整机制即可使用。”

三、冷原子源高通量输出，实现更好测量

为了测试他们新的冷原子源设计，研究人员建造了实验室设备，以充分描述通过反光镜金字塔顶点这个光圈发射的原子通量情况。

“我们获得了异常高的铷原子通量。”富特表示，大多数冷原子设备进行的测量会随着使用的原子数量而有所改善，因此可以使用具有更高通量的源来提高测量精度、提高信噪比或帮助实现更大的测量带宽。即使以 50% 的强度运行，这款冷原子源在原子通量方面，仍然比已有文献中其他可用于便携式设备的冷原子源性能更好。

可调光圈特性使研究人员能够观察到通量对光圈大小的强烈依赖性，最佳光圈大小约为 1.4±0.2 毫米。更大的光圈尺寸会使冷原子源更坚固，因此，较大的光圈尺寸似乎更适合在机械应力或磁场变化中使用的便携式设备，例如实现在地磁场中重新定位或重新定向。此外，这种冷原子源设计还是可扩展的，一个更大的金字塔冷原子源预计将产生更高的通量。

研究人员表示，这款新的冷原子源装置适合商业应用，由于它具有少量组件和很简单的组装步骤，因此生产起来将很容易。

结语：便携式量子设备可用

除了测量性能上的优势，这款冷原子源装置的低功耗和小尺寸特性对于便携式量子设备来说，也是影响其选择的重要因素。

并且，这款冷原子装置还是可以扩展的，针对不同的便携式量子设备也可以实现相应的调整。这对于扩大便携式量子设备的使用有所帮助。

标签：新冷原子源装置便携式量子技术设备光学领域

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