国家标准与技术研究所 说明一种新的光学系统，使原子的激光冷却小型化，这是在微芯片上冷却原子的关键步骤
一束激光从一个光子集成电路(PIC)发射出来，由一种叫做极端模式转换器(EMC)的元件辅助，这种转换器可以极大地扩展光束
然后，光束照射到一层精心设计的超薄薄膜上，该薄膜被称为亚表面，其上布满了微小的柱子，这些柱子进一步扩展和塑造了光束
光束从光栅芯片衍射，在真空室中形成多个重叠的激光束
激光束和磁场的结合有效地冷却和捕获磁光阱中的大量气体原子
信用:NIST 个子小很酷
美国国家标准与技术研究所(NIST)的科学家已经将原子冷却到绝对零度以上千分之几度所需的光学元件小型化，这是将它们应用于微芯片上驱动新一代超精确原子钟、实现无全球定位系统导航和模拟量子系统的第一步
冷却原子相当于减慢它们的速度，这使得它们更容易研究
在室温下，原子以接近音速的速度在空气中呼啸而过，约为每秒343米
快速、随机运动的原子与其他粒子只有短暂的相互作用，它们的运动使得很难测量原子能级之间的跃迁
当原子缓慢爬行时——大约0
每秒1米——研究人员可以足够精确地测量粒子的能量跃迁和其他量子特性，以用作无数导航和其他设备的参考标准
二十多年来，科学家们通过用激光轰击原子来冷却原子，NIST物理学家比尔·菲利普斯因此分享了1997年诺贝尔物理学奖
虽然激光通常会激发原子，使它们运动得更快，但如果仔细选择光的频率和其他属性，就会发生相反的情况
激光光子撞击原子后，会降低原子的动量，直到它们移动得足够慢而被磁场俘获
但是要准备激光使其具有冷却原子的特性，通常需要一个像餐桌一样大的光学组件
这是一个问题，因为它限制了这些超冷原子在实验室之外的使用，它们可能成为高精度导航传感器、磁力计和量子模拟的关键元素
现在，NIST的研究员威廉·麦克格赫和他的同事们已经设计出一个紧凑的光学平台，只有大约15厘米(5
9英寸)长，在1厘米宽的区域内冷却并捕获气态原子
尽管已经建造了其他微型冷却系统，但这是第一个仅依靠平面光学系统的系统，这种系统易于大规模生产
“这很重要，因为它展示了制造真正设备的途径，而不仅仅是实验室实验的小版本，”麦基说
虽然新的光学系统仍然比微芯片大10倍，但它是在实验室环境之外的许多紧凑、基于芯片的导航和量子设备中使用超冷原子的关键一步
NIST大学和马里兰大学在大学公园合作的联合量子研究所的研究人员，以及马里兰大学电子和应用物理研究所的科学家也为这项研究做出了贡献
该仪器由三个光学元件组成，在线发表在《新物理学杂志》上
首先，使用一种称为极端模式转换器的设备从光学集成电路发射光
转换器将最初直径约为500纳米(约为人类头发厚度的千分之五)的窄激光束放大至该宽度的280倍
放大后的光束照射到一层精心设计的超薄薄膜上，称为“亚表面”，上面布满了大约600纳米长、100纳米宽的微小柱状物
纳米柱的作用是将激光束进一步加宽100倍
这种戏剧性的加宽对于光束与大量原子的有效相互作用和冷却是必要的
此外，通过在很小的空间范围内完成这一壮举，亚表面缩小了冷却过程
亚表面以另外两种重要的方式重塑光，同时改变光波的强度和偏振(振动的方向)
通常，光强遵循一个钟形曲线，光线在光束中心最亮，两边逐渐衰减
NIST的研究人员设计了纳米柱，这样微小的结构可以改变强度，产生一束在整个宽度上亮度均匀的光束
均匀的亮度允许更有效地利用可用的光
光的偏振对于激光冷却也至关重要
然后，扩展的、重新整形的光束撞击衍射光栅，该光栅将单个光束分成三对相等且方向相反的光束
在外加磁场的作用下，四束光束以相反的方向推动原子，用来捕获冷却的原子
光学系统的每一个组件——转换器、亚表面和光栅——都是在NIST开发的，但在NIST的两个校区——马里兰州盖瑟斯堡和科罗拉多州博尔德——的独立实验室中运行
麦基和他的团队将不同的组件聚集在一起构建新系统
“这是这个故事有趣的部分，”他说
“我认识所有独立研究这些不同部件的NIST科学家，我意识到这些元件可以组合在一起，形成一个小型化的激光冷却系统
" 尽管光学系统必须比激光冷却芯片上的原子小10倍，但这个实验“是原理的证明，它是可以做到的”，麦克格赫补充道
他说:“最终，使光制备变得更小、更简单将使基于激光冷却的技术能够在实验室之外存在。”
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