芯片集成冷原子磁光阱系统的首次实现

记者27日从中国科学技术大学获悉，郭光灿院士团队邹长岭将自主设计的磁场芯片与光栅芯片相结合，实现了基于双芯片的冷原子磁光阱系统。相关成果日前在线发表在国际学术期刊《应用物理评论》上。

磁光阱作为冷却和捕获原子蒸气的基本手段之一，在现代原子物理中得到广泛应用。磁光阱获得的冷原子系综是实现长期干时量子比特以及基于它的量子精密测量、量子模拟和量子计算等应用的必要基础。然而，传统的磁光阱系统在进一步的可扩展应用中面临着多通道自由空间光束对准、庞大的反亥姆霍兹线圈、磁场与光场中心严格重合等挑战。因此，如何实现小型化甚至芯片化的磁光阱系统引起了国际研究人员的广泛兴趣。

磁光阱的另一个重要部件——磁场线圈目前只能用三维线圈对来实现。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学习到的磁场梯度，从而导致功耗高和发热严重。如果减小线圈的尺寸，线圈可能会严重阻碍光路并减小可用光学窗口的尺寸。为了解决这个问题，研究人员提出了一种全新的平面磁场线圈构型，只需要一个3 cm 3 cm的芯片就可以产生磁光阱所需的四极磁场。研究人员独立设计并制作了相互匹配的磁场芯片和光栅芯片，证明了这种新颖配置的实用性。

这两种芯片体积小，重量轻，功耗低，从而腾出更多的光学窗口。它们使用起来也很方便。他们可以将两块芯片堆叠在一起，只需用透明胶固定在真空玻璃窗外，通过单一激光束的入射来捕获冷原子。其中，磁场芯片仅6.4W即可驱动，有望采用便携式蓄电池供电，促进了小型磁光阱系统的进一步集成。