澎湃新聞記者 王蕙蓉

近日，中國科學技術大學郭光燦院士團隊與盧征天教授合作，在芯片化冷原子系統上取得新進展，首次實現基于雙芯片的冷原子磁光阱系統。這一成果有助于實現量子精密測量、量子模拟與計算相關應用，例如量子重力儀、量子存儲器等。

雙芯片磁光阱原理示意圖（左）和所捕獲冷原子的CCD成像照片（右），圖片來自中國科學技術大學

磁光阱可以對原子蒸氣進行冷卻和俘獲，在現代原子物理領域具有廣泛的應用前景。通過磁光阱獲得的冷原子系綜，是實現長相幹時間量子比特，以及實現基于此的量子精密測量、量子模拟與計算等應用的必要基礎。

然而，傳統磁光阱系統在進一步可擴展應用上受到部分制約，例如多路自由空間光束對準、龐大的反亥姆霍茲線圈、以及磁場和光場中心的嚴格重合等挑戰。因此，如何實現小型化乃至芯片化的磁光阱系統吸引了國際上的廣泛興趣。其中，基于光栅芯片的磁光阱極大簡化了傳統磁光阱中六束空間光的入射系統，不僅體積小、重量輕、光窗口豐富、可擴展性高，還在移動式量子精密測量系統、集成化量子計算系統中有巨大潛力。

但對于磁光阱的另一重要組成部分——磁場線圈，此前仍然隻能采用三維的線圈來實現。如果磁場線圈的尺寸較大，則需要更粗的導線和更強的電流來實現所需的磁場梯度，最終功耗大，發熱嚴重。如果将線圈的尺寸減小，則線圈可能會嚴重阻礙光路，減小可供使用的光學窗口大小。

為此，郭光燦院士團隊鄒長鈴課題組與盧征天教授合作，提出了一種全新的平面化磁場線圈構型，僅需一塊3cm×3cm的芯片，即可産生磁光阱所需的四極磁場。基于中科大的微納加工中心，他們自主設計和加工了相互匹配的磁場芯片與光栅芯片，并基于此成功地俘獲了超過106個低溫87Rb原子，證明了這個新穎構型的實用性。他們将獨立設計的磁場芯片與光栅芯片結合，實現了基于雙芯片的冷原子磁光阱系統。相關成果近日在線發表于《Physical Review Applied》期刊。

圖片來自Physical Review Applied

前述團隊自主設計的兩種芯片尺寸小，重量輕，功耗低，騰出了更多的光學窗口。此外，其使用也很方便，可以将兩塊芯片疊在一起，僅需透明膠固定在真空的玻璃窗口外面，通過單束激光入射即可俘獲冷原子。其中，磁場芯片6.4W（瓦）即可驅動，有望使用便攜蓄電池供電，推動小型磁光阱系統的進一步集成。

團隊還進一步探索了新構型下磁光阱的表現與各個參數之間的關系。實驗中，研究人員觀察到随着磁場電流的增大，局部最優的光場失諧也會随之近似線性地增大。團隊從原子的能級構型出發，提出這可能是由于磁場尺寸縮減導緻，并實驗證實了這一磁光阱調控的新特點，而這一點在傳統三維大線圈構型下容易被忽略。該研究工作不僅在實驗上觀察到了這一重要物理現象，還提供了對磁光阱表現的新理解。

(a)傳統四極線圈的概念示意圖；(b)線圈芯片的概念示意圖；(c)芯片線圈照片；(d)芯片線圈穩定電壓和功率表征；(e), (f)芯片線圈軸、徑向磁場分布表征；圖片來自中國科學技術大學

審稿人對此做出評價：“我認為這項工作将會吸引原子、分子和光學(AMO)領域的注意，在那裡，光栅磁光阱(MOT)和微型MOT技術正在成為人們的興趣，而且這個工作擁有實實在在的影響，并與實際應用有着密切聯系。”

中科院量子信息重點實驗室研究生陳梁為論文第一作者，鄒長鈴教授為論文通訊作者。前述研究工作獲得國家重點研究研發項目、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金和國家市場監管重點實驗室（時間頻率與重力計量基準）開放課題的資助。相關成果已申請專利并獲授權。

責任編輯：李躍群

校對：丁曉