导读：据美国国家标准与技术研究院（NIST）官网近日报道，该研究院的科学家对将原子冷却至绝对零度以上千分之一度所需的光学组件进行了小型化处理。这项研究朝着在微芯片上应用这些光学组件，以驱动新一代超高精度的原子钟，实现无需GPS的导航，以及模拟量子系统的目标迈出了第一步。

（图片来源：MIT）

背景冷却原子相当于减慢它们的速度，使之更易于研究。室温下，原子以接近音速的速度（约每秒343米）在空气中飕飕穿过。高速随机移动的原子只是与其他粒子的短暂地相互作用，它们的运动使测量原子能级间的跃迁变得困难。当原子缓慢爬行时（约每秒0.1米），研究人员可以精确地测量粒子的能量跃迁和其他量子特性，以作为众多导航设备以及其他设备的参考标准。

二十多年来，科学家用激光轰击原子来冷却它们，NIST 物理学家比尔·菲利普斯（Bill Phillips）因为这一创举获得了1997年的诺贝尔物理学奖。尽管激光通常可以激发原子，使它们运动得更快，但是如果仔细选择光的频率和其他属性，则会发生相反的情况。撞击原子后，激光光子会降低原子的动量，一直到它们移动得足够缓慢，以至于被磁场所捕获。

但是要制备激光使其具有冷却原子的特性，通常需要与餐厅桌子一样大的光学组件。这个问题限制了这些超冷原子在实验室外的使用。在实验室外，它们可能成为高精度的导航传感器、磁力计和量子模拟的关键元件。

（图片来源：普渡大学量子中心）

创新

近日，NIST 研究人员威廉·麦吉希（William McGehee）及其同事设计了一个紧凑的光学平台，只有约15厘米（5.9英寸）长，可以冷却并捕获1厘米宽区域中的气态原子。尽管科学家们已经建立了其他的微型冷却系统，但这是第一个完全依靠易于量产的平面光学器件的系统。

麦吉希表示：“这很重要，因为它展示了一条制造真实器件的途径，而不仅仅是小型的实验室实验。”这种新型光学系统，虽仍然比安装在微芯片上的尺寸大了10倍，但却朝着在实验室外的众多紧凑型、基于芯片的导航和量子器件中采用超冷原子迈出了关键一步。NIST 与马里兰大学学院公园分校合作的联合量子研究所的研究人员，以及马里兰大学电子与应用物理研究所的科学家，也为这项研究做出了贡献。

相关论文在线发表在《新物理学杂志》（New Journal of Physics）上。

技术

该仪器由三个光学元件组成。首先，光线从使用一种称为“极限模式转换器”的设备的光学集成电路发射出来。转换器将最初直径约为500纳米（大约是人类头发丝厚度的五千分之一）的狭窄激光束拓宽为原来宽度的280倍。然后，放大的光束照射到经过精心设计的超薄薄膜，称为“超表面”，上面布满了细小的柱子，柱子的长度约为600纳米，宽度为100纳米。

（图片来源：NIST）

纳米柱的作用是使激光束进一步拓宽100倍。要使光束与大量原子有效地相互作用并对其进行冷却，必须进行大幅拓宽。此外，通过在较小的空间区域内完成这一壮举，超表面可以使冷却处理变得小型化。

超表面以其他两种重要方式重塑了光线，同时更改了光波的强度和偏振（振动的方向）。通常来说，强度遵循钟形曲线，在该曲线中，光线在光束中心最亮，而两侧则逐渐变暗。NIST 研究人员设计了纳米柱，以便微小结构改变光的强度，创造出在整个宽度上具有均匀亮度的光束。均匀的亮度可以更有效地利用可用光线。光的偏振对于激光冷却来说也至关重要。

然后，经过拓宽、重塑的光束照射到衍射光栅上，该衍射光栅将单束光束分成三对相等且反向的光束。结合施加的磁场，四个光束向相反方向推动原子，以捕获冷却的原子。

光学系统的每个组件（转换器、超表面、光栅）都是在 NIST 开发的，但是在 NIST 的两个校区（分别位于马里兰州的盖瑟斯堡和科罗拉多州的博尔德）的不同实验室中进行操作。麦吉希及其团队将不同的组件组合到一起以构建新系统。

他表示：“这是这个故事中有趣的部分。我认识 NIST 所有独立研究这些不同组件的科学家，我意识到可以将这些不同的元件放在一起，以创建一个小型化的激光冷却系统。”

麦吉希补充说，尽管光学系统必须再缩小10倍，从而在芯片上对原子进行激光冷却，但该实验原则上证明了这一点是可以做到的。

他表示：“最终，激光制备系统变得更小、更简单，将使得基于激光冷却的技术能在实验室之外使用。”