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一种新型冷原子源为便携式量子器件奠定了基础

2021-6-26 09:26| 发布者: vantsing| 查看: 644| 评论: 0

摘要: 研究人员设计了一种新型冷原子源,结构是:四个反射镜像花瓣一样排列后组成一个倒金字塔式的结构。这些反射镜像花瓣打开合拢一样可以相互滑动。从而在倒金字塔顶部创建了一个可调节大小的孔,并通过这个孔将冷原子推 ...

研究人员设计了一种新型冷原子源,结构是:四个反射镜像花瓣一样排列后组成一个倒金字塔式的结构。这些反射镜像花瓣打开合拢一样可以相互滑动。从而在倒金字塔顶部创建了一个可调节大小的孔,并通过这个孔将冷原子推出。上图是渲染图。作者:克里斯托弗·福特,牛津大学


虽然量子技术对于高度精确的计时很有价值,但此技术在实际环境中的应用仍然存在挑战。在便携式量子器件的发展的这个重要阶段,研究人员开发出一种新型的高通量紧凑型低功耗冷原子源,它将会是一系列量子技术的关键组件。


"基于激光冷却原子的量子技术已经促进了原子钟的发展,这些原子钟被用于全国的计时,"英国牛津大学的研究小组组长克里斯托弗·福特说,"精确的时钟在电子通信和导航系统(如GPS)的同步中有许多应用。紧凑型原子钟将能部署的更广泛,例如在太空中的通信网络中提供灵活性。因为即使网络中断,本地时钟也能保持准确的计时。


在光学学会(OSA)的《光学快报》上,S.RavenhallB.YuenFoot报道了在英国牛津进行的工作,展示了一个全新的冷原子源设计。这种新设备适用于各种冷原子技术。


Foot 说:"在这个项目中,我们开展了一项研究设计,并将其开发成一种紧凑的设备。除了计时应用外,此紧凑型冷原子源设备还可用于重力映射、惯性导航和通信的仪器,以及暗物质和引力波等研究应用中的物理现象。


用光冷却原子

虽然听起来有点反常识,但可以激光通过施加力来减缓原子的速度,将原子冷却到极低的温度。这个过程可被用于创建一个冷原子源,产生一束定向的激光冷却原子束,指向到精确计时或探测引力波的精密测量区域。


研究人员设计了一种新型冷原子源,结构是:四个反射镜像花瓣一样排列后组成一个倒金字塔式的结构。这些反射镜像花瓣打开合拢一样可以相互滑动。从而在倒金字塔顶部创建了一个可调节大小的孔,并通过这个孔将冷原子推出。上图是渲染图。作者:克里斯托弗·福特,牛津大学


通常需要使用复杂的反射镜排列结构才能使激光在真空中从各个方向都全部照射到原子上进行激光冷却。在这项新的研究中,研究人员提出了一个全新的设计,只使用四个反射镜。这些镜子并排排列的像倒金字塔的四个斜面一样,并能够像几个花瓣互相重叠开合一样相互滑过,从而在倒金字塔底部形成一个输出冷原子的孔。这个孔的大小可以调节,从而优化各种应用中的冷原子束传播。这些倒金字塔式反射镜能够反射从单一激光源发出的激光进入真空室,大大减小了复杂的反射镜布置方式,从而大大的简化了光学结构。


这些位于冷原子源的真空区域内的反射镜们是使用金属抛光并镀介电涂层的工艺制作的。"这种可调节功能是全新的特色功能,"Foot说。用四个相同的抛光金属块创建金字塔式反射结构简化了装配过程,无需调光即可使用。


用更多的原子进行更好的测量

研究人员搭建了实验装置来充分表征通过金字塔顶点发射孔的原子通量和测试验证设计。


"我们的实验结果展示了非常高的红宝石原子通量,"Foot说。"大多数情况下的测量都会随着使用原子数量的提高而改善。因此,具有较高通量的冷原子源可用于提高测量精度、提高信噪比或实现更大的测量带宽。


研究人员介绍:这种新型冷原子源适合开展商业应用。因为组件数目少,装配步骤少,因此很容易进行批量化生产。


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