近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)與盧征天教授合作，在芯片化冷原子系統(tǒng)上取得新進(jìn)展，首次實(shí)現(xiàn)基于雙芯片的冷原子磁光阱系統(tǒng)。這一成果有助于實(shí)現(xiàn)量子精密測量、量子模擬與計(jì)算相關(guān)應(yīng)用，例如量子重力儀、量子存儲器等。

雙芯片磁光阱原理示意圖（左）和所捕獲冷原子的CCD成像照片（右），圖片來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

磁光阱可以對原子蒸氣進(jìn)行冷卻和俘獲，在現(xiàn)代原子物理領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。通過磁光阱獲得的冷原子系綜，是實(shí)現(xiàn)長相干時(shí)間量子比特，以及實(shí)現(xiàn)基于此的量子精密測量、量子模擬與計(jì)算等應(yīng)用的必要基礎(chǔ)。

然而，傳統(tǒng)磁光阱系統(tǒng)在進(jìn)一步可擴(kuò)展應(yīng)用上受到部分制約，例如多路自由空間光束對準(zhǔn)、龐大的反亥姆霍茲線圈、以及磁場和光場中心的嚴(yán)格重合等挑戰(zhàn)。因此，如何實(shí)現(xiàn)小型化乃至芯片化的磁光阱系統(tǒng)吸引了國際上的廣泛興趣。其中，基于光柵芯片的磁光阱極大簡化了傳統(tǒng)磁光阱中六束空間光的入射系統(tǒng)，不僅體積小、重量輕、光窗口豐富、可擴(kuò)展性高，還在移動(dòng)式量子精密測量系統(tǒng)、集成化量子計(jì)算系統(tǒng)中有巨大潛力。

但對于磁光阱的另一重要組成部分——磁場線圈，此前仍然只能采用三維的線圈來實(shí)現(xiàn)。如果磁場線圈的尺寸較大，則需要更粗的導(dǎo)線和更強(qiáng)的電流來實(shí)現(xiàn)所需的磁場梯度，最終功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重。如果將線圈的尺寸減小，則線圈可能會嚴(yán)重阻礙光路，減小可供使用的光學(xué)窗口大小。

為此，郭光燦院士團(tuán)隊(duì)鄒長鈴課題組與盧征天教授合作，提出了一種全新的平面化磁場線圈構(gòu)型，僅需一塊3cm×3cm的芯片，即可產(chǎn)生磁光阱所需的四極磁場?；谥锌拼蟮奈⒓{加工中心，他們自主設(shè)計(jì)和加工了相互匹配的磁場芯片與光柵芯片，并基于此成功地俘獲了超過106個(gè)低溫87Rb原子，證明了這個(gè)新穎構(gòu)型的實(shí)用性。他們將獨(dú)立設(shè)計(jì)的磁場芯片與光柵芯片結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了基于雙芯片的冷原子磁光阱系統(tǒng)。相關(guān)成果近日在線發(fā)表于《Physical Review Applied》期刊。

圖片來自Physical Review Applied

前述團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)的兩種芯片尺寸小，重量輕，功耗低，騰出了更多的光學(xué)窗口。此外，其使用也很方便，可以將兩塊芯片疊在一起，僅需透明膠固定在真空的玻璃窗口外面，通過單束激光入射即可俘獲冷原子。其中，磁場芯片6.4W（瓦）即可驅(qū)動(dòng)，有望使用便攜蓄電池供電，推動(dòng)小型磁光阱系統(tǒng)的進(jìn)一步集成。

團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步探索了新構(gòu)型下磁光阱的表現(xiàn)與各個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中，研究人員觀察到隨著磁場電流的增大，局部最優(yōu)的光場失諧也會隨之近似線性地增大。團(tuán)隊(duì)從原子的能級構(gòu)型出發(fā)，提出這可能是由于磁場尺寸縮減導(dǎo)致，并實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這一磁光阱調(diào)控的新特點(diǎn)，而這一點(diǎn)在傳統(tǒng)三維大線圈構(gòu)型下容易被忽略。該研究工作不僅在實(shí)驗(yàn)上觀察到了這一重要物理現(xiàn)象，還提供了對磁光阱表現(xiàn)的新理解。

(a)傳統(tǒng)四極線圈的概念示意圖；(b)線圈芯片的概念示意圖；(c)芯片線圈照片；(d)芯片線圈穩(wěn)定電壓和功率表征；(e), (f)芯片線圈軸、徑向磁場分布表征；圖片來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

審稿人對此做出評價(jià)：“我認(rèn)為這項(xiàng)工作將會吸引原子、分子和光學(xué)(AMO)領(lǐng)域的注意，在那里，光柵磁光阱(MOT)和微型MOT技術(shù)正在成為人們的興趣，而且這個(gè)工作擁有實(shí)實(shí)在在的影響，并與實(shí)際應(yīng)用有著密切聯(lián)系。”

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究生陳梁為論文第一作者，鄒長鈴教授為論文通訊作者。前述研究工作獲得國家重點(diǎn)研究研發(fā)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金和國家市場監(jiān)管重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（時(shí)間頻率與重力計(jì)量基準(zhǔn)）開放課題的資助。相關(guān)成果已申請專利并獲授權(quán)。