《新物理学杂志》:小型激光冷却装置问世,超冷原子室外应用走出第一步

CHEN

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二十多年来,科学家一直用激光轰击原子来冷却原子。虽然激光通常会激发原子,使其移动速度更快,但如果仔细选择光的频率和其他特性,就会发生相反的情况。在撞击原子时,激光光子会减弱原子的动量,直到它们移动得足够慢,从而被磁场捕获。

但是为了使激光具有冷却原子的特性,通常需要一个餐桌尺寸那么大的光学组件。这限制了这些超冷原子在实验室之外应用,使其无法应用于可高精确导航传感器、磁力计和量子模拟等方面。

现在,美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员设计了一个更加小巧的光学平台,只有15厘米长,可在1厘米宽的区域内冷却和捕获气态原子。尽管其它微型冷却系统已经被制造出来,但这是第一个完全依靠平面光学的系统,很容易批量生产。

根据发表的论文显示,这一装置由三个光学元件组成。首先,光通过一种叫做极端模式转换器的设备从一个光学集成电路发射。转换器将狭窄的激光束从最初直径500纳米(大约人类头发厚度的千分之五)放大到280倍的宽度。

放大后的光束照射到一种被称为“超表面”的精心设计的超薄薄膜上,该薄膜上布满了大约600纳米长、100纳米宽的小柱。

纳米管的作用是将激光束进一步扩大100倍。要使光束有效地与大量原子相互作用并将其冷却。

超表面以另外两个重要的方式重塑光,同时改变光波的强度和偏振(振动方向)。通常情况下,光线强度遵循钟形曲线,在光束中心最亮,在两侧逐渐减弱。

NIST的研究人员设计了纳米管,这样微小的结构就可以改变强度,产生一束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现有的光线。光的偏振对激光冷却也是至关重要的。

随后,光束击中衍射光栅,光栅将单束光束分成三对方向相反、大小相等的光束。在外加磁场的作用下,这四束光束向相反的方向推动原子,从而捕获冷却的原子。

该研究成果已发表在《新物理学杂志》上。

编译/前瞻经济学人APP资讯组

论文链接:

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/abdce3

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