中科大首次实现芯片集成冷原子磁光阱系统

近日，中国科学技术大学郭光灿院士团队与卢征天教授合作，在芯片化冷原子系统上取得新进展，首次实现基于双芯片的冷原子磁光阱系统。这一成果有助于实现量子精密测量、量子模拟与计算相关应用，例如量子重力仪、量子存储器等。

双芯片磁光阱原理示意图（左）和所捕获冷原子的CCD成像照片（右），图片来自中国科学技术大学

磁光阱可以对原子蒸气进行冷却和俘获，在现代原子物理领域具有广泛的应用前景。通过磁光阱获得的冷原子系综，是实现长相干时间量子比特，以及实现基于此的量子精密测量、量子模拟与计算等应用的必要基础。
然而，传统磁光阱系统在进一步可扩展应用上受到部分制约，例如多路自由空间光束对准、庞大的反亥姆霍兹线圈、以及磁场和光场中心的严格重合等挑战。因此，如何实现小型化乃至芯片化的磁光阱系统吸引了国际上的广泛兴趣。其中，基于光栅芯片的磁光阱极大简化了传统磁光阱中六束空间光的入射系统，不仅体积小、重量轻、光窗口丰富、可扩展性高，还在移动式量子精密测量系统、集成化量子计算系统中有巨大潜力。
但对于磁光阱的另一重要组成部分——磁场线圈，此前仍然只能采用三维的线圈来实现。如果磁场线圈的尺寸较大，则需要更粗的导线和更强的电流来实现所需的磁场梯度，最终功耗大，发热严重。如果将线圈的尺寸减小，则线圈可能会严重阻碍光路，减小可供使用的光学窗口大小。
为此，郭光灿院士团队邹长铃课题组与卢征天教授合作，提出了一种全新的平面化磁场线圈构型，仅需一块3cm×3cm的芯片，即可产生磁光阱所需的四极磁场。基于中科大的微纳加工中心，他们自主设计和加工了相互匹配的磁场芯片与光栅芯片，并基于此成功地俘获了超过106个低温87Rb原子，证明了这个新颖构型的实用性。他们将独立设计的磁场芯片与光栅芯片结合，实现了基于双芯片的冷原子磁光阱系统。相关成果近日在线发表于《Physical Review Applied》期刊。

图片来自Physical Review Applied

前述团队自主设计的两种芯片尺寸小，重量轻，功耗低，腾出了更多的光学窗口。此外，其使用也很方便，可以将两块芯片叠在一起，仅需透明胶固定在真空的玻璃窗口外面，通过单束激光入射即可俘获冷原子。其中，磁场芯片6.4W（瓦）即可驱动，有望使用便携蓄电池供电，推动小型磁光阱系统的进一步集成。
团队还进一步探索了新构型下磁光阱的表现与各个参数之间的关系。实验中，研究人员观察到随着磁场电流的增大，局部最优的光场失谐也会随之近似线性地增大。团队从原子的能级构型出发，提出这可能是由于磁场尺寸缩减导致，并实验证实了这一磁光阱调控的新特点，而这一点在传统三维大线圈构型下容易被忽略。该研究工作不仅在实验上观察到了这一重要物理现象，还提供了对磁光阱表现的新理解。

(a)传统四极线圈的概念示意图；(b)线圈芯片的概念示意图；(c)芯片线圈照片；(d)芯片线圈稳定电压和功率表征；(e), (f)芯片线圈轴、径向磁场分布表征；图片来自中国科学技术大学

审稿人对此做出评价：“我认为这项工作将会吸引原子、分子和光学(AMO)领域的注意，在那里，光栅磁光阱(MOT)和微型MOT技术正在成为人们的兴趣，而且这个工作拥有实实在在的影响，并与实际应用有着密切联系。”
中科院量子信息重点实验室研究生陈梁为论文第一作者，邹长铃教授为论文通讯作者。前述研究工作获得国家重点研究研发项目、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金和国家市场监管重点实验室（时间频率与重力计量基准）开放课题的资助。相关成果已申请专利并获授权。