據(jù)美國媒體《每日科學(xué)（Science Daily）》報(bào)道，近日，英國牛津大學(xué)和伯明翰大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出了一種新冷原子源裝置，可用于便攜式量子技術(shù)設(shè)備，并發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威雜志《光學(xué)快報(bào)（Optics Express）》上。

這種新金字塔形冷原子源裝置只需要4個(gè)反射鏡就可以將激光從各個(gè)方向照射到真空中的原子上，并形成獨(dú)特可調(diào)節(jié)光圈，可調(diào)節(jié)通量，實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備測(cè)量精度等性能。

該論文題目為《高通量、可調(diào)、緊湊的冷原子源（High-flux, adjustable, compact cold-atom source）》，于6月5日發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》上。

論文鏈接：

https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-14-21143&id=452608

一、激光冷原子設(shè)備，提高量子技術(shù)精確度

基于激光冷卻原子的量子技術(shù)使用已經(jīng)促進(jìn)了國家層面上用于計(jì)時(shí)的原子鐘發(fā)展。精確時(shí)鐘在電子通信和導(dǎo)航系統(tǒng)（如GPS）的同步中有許多應(yīng)用，緊湊型原子鐘可以更廣泛地部署在包括太空在內(nèi)等多種環(huán)境中，能為通信網(wǎng)絡(luò)提供彈性，保證即使網(wǎng)絡(luò)中斷，本地時(shí)鐘也可以確保準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。

盡管這看起來有違常理，但激光可以通過施加使原子減速的力，來將原子冷卻到極低的溫度。

目前很多科學(xué)家都在開發(fā)緊湊型激光冷原子設(shè)備。這種設(shè)備除了應(yīng)用于計(jì)時(shí)之外，還可以用于重力測(cè)量、慣性導(dǎo)航和通信的天基實(shí)驗(yàn)中，以及可以用來進(jìn)行廣義相對(duì)論、暗物質(zhì)、引力波等物理研究。

這種冷原子裝置的關(guān)鍵組件是冷原子源，它產(chǎn)生一束激光冷卻原子，定向到精確測(cè)量的區(qū)域。這允許同時(shí)存在用于測(cè)量的低環(huán)境壓力和龐大原子群，與單室冷原子系統(tǒng)形成鮮明對(duì)比。單室冷原子系統(tǒng)直接在測(cè)量位置產(chǎn)生原子，因此需要在測(cè)量的低壓和快速原子生成的高壓之間進(jìn)行權(quán)衡。

二、可調(diào)節(jié)光圈，調(diào)控靈活、組裝簡化

激光冷卻原子通常需要復(fù)雜的反射鏡排列，才能將光從各個(gè)方向照射到真空中的原子上。在這項(xiàng)新研究中，研究人員創(chuàng)造了一個(gè)完全不同的設(shè)計(jì)，在基于金子塔形磁光井（Magneto-optical trap，MOT）的高通量緊湊型冷原子源中只使用了四個(gè)反射鏡，這款冷原子源帶有獨(dú)特可調(diào)節(jié)光圈，非常適合便攜式量子技術(shù)設(shè)備。

四個(gè)相同的反射鏡位于圓形“旋轉(zhuǎn)器”板上的直形凹槽中：凹槽將每個(gè)反射鏡限制在單個(gè)方向上滑動(dòng)。旋轉(zhuǎn)板位于圓形“底座”板上，具有類似但彎曲的插槽。每個(gè)反射鏡都有一個(gè)通過旋轉(zhuǎn)器和底板的插槽螺栓，可以擰緊以固定反射鏡。因此，這些板相對(duì)于彼此的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致反射鏡的同步運(yùn)動(dòng)。這實(shí)現(xiàn)了可調(diào)整光圈大?。ǘx為方形光圈的一側(cè)長度），同時(shí)保持反射鏡的正確角度并避免接觸或刮擦。

簡單來說，就是冷原子源的四個(gè)反射鏡像金字塔一樣排列，并以一種讓它們能夠像花瓣一樣相互滑過的方式在金字塔頂部形成一個(gè)洞，冷原子通過該洞被推出?？梢哉{(diào)整該孔的大小以優(yōu)化出用于各種應(yīng)用的冷原子流。

金字塔排列的鏡子反射來自單個(gè)入射激光束的光，該激光束通過單個(gè)視口進(jìn)入真空室，從而大大簡化了光學(xué)器件。這些位于冷原子源真空區(qū)域內(nèi)的反射鏡是通過拋光金屬并施加介電涂層制成的。

研究負(fù)責(zé)人克里斯托弗·富特（Christopher Foot）說：“這種設(shè)計(jì)的可調(diào)節(jié)性是一個(gè)全新的功能，用四個(gè)相同的拋光金屬塊創(chuàng)建金字塔簡化了組裝，無需調(diào)整機(jī)制即可使用?！?/p>

三、冷原子源高通量輸出，實(shí)現(xiàn)更好測(cè)量

為了測(cè)試他們新的冷原子源設(shè)計(jì)，研究人員建造了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，以充分描述通過反光鏡金字塔頂點(diǎn)這個(gè)光圈發(fā)射的原子通量情況。

“我們獲得了異常高的銣原子通量?！备惶乇硎?，大多數(shù)冷原子設(shè)備進(jìn)行的測(cè)量會(huì)隨著使用的原子數(shù)量而有所改善，因此可以使用具有更高通量的源來提高測(cè)量精度、提高信噪比或幫助實(shí)現(xiàn)更大的測(cè)量帶寬。即使以50%的強(qiáng)度運(yùn)行，這款冷原子源在原子通量方面，仍然比已有文獻(xiàn)中其他可用于便攜式設(shè)備的冷原子源性能更好。

可調(diào)光圈特性使研究人員能夠觀察到通量對(duì)光圈大小的強(qiáng)烈依賴性，最佳光圈大小約為1.4±0.2毫米。更大的光圈尺寸會(huì)使冷原子源更堅(jiān)固，因此，較大的光圈尺寸似乎更適合在機(jī)械應(yīng)力或磁場(chǎng)變化中使用的便攜式設(shè)備，例如實(shí)現(xiàn)在地磁場(chǎng)中重新定位或重新定向。此外，這種冷原子源設(shè)計(jì)還是可擴(kuò)展的，一個(gè)更大的金字塔冷原子源預(yù)計(jì)將產(chǎn)生更高的通量。

研究人員表示，這款新的冷原子源裝置適合商業(yè)應(yīng)用，由于它具有少量組件和很簡單的組裝步驟，因此生產(chǎn)起來將很容易。

結(jié)語：便攜式量子設(shè)備可用

除了測(cè)量性能上的優(yōu)勢(shì)，這款冷原子源裝置的低功耗和小尺寸特性對(duì)于便攜式量子設(shè)備來說，也是影響其選擇的重要因素。

并且，這款冷原子裝置還是可以擴(kuò)展的，針對(duì)不同的便攜式量子設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)整。這對(duì)于擴(kuò)大便攜式量子設(shè)備的使用有所幫助。

來源：Science Daily、Optics Express