據(jù)美國(guó)媒體《每日科學(xué)（Science Daily）》報(bào)道，近日，英國(guó)牛津大學(xué)和伯明翰大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)出了一種新冷原子源裝置，可用于便攜式量子技術(shù)設(shè)備，并發(fā)表在光學(xué)領(lǐng)域權(quán)威雜志《光學(xué)快報(bào)（Optics Express）》上。

這種新金字塔形冷原子源裝置只需要4個(gè)反射鏡就可以將激光從各個(gè)方向照射到真空中的原子上，并形成獨(dú)特可調(diào)節(jié)光圈，可調(diào)節(jié)通量，實(shí)現(xiàn)提高設(shè)備測(cè)量精度等性能。

該論文題目為《高通量、可調(diào)、緊湊的冷原子源（High-flux, adjustable, compact cold-atom source）》，于6月5日發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》上。

論文鏈接：

https://www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-29-14-21143&id=452608

一、激光冷原子設(shè)備，提高量子技術(shù)精確度

基于激光冷卻原子的量子技術(shù)使用已經(jīng)促進(jìn)了國(guó)家層面上用于計(jì)時(shí)的原子鐘發(fā)展。精確時(shí)鐘在電子通信和導(dǎo)航系統(tǒng)（如GPS）的同步中有許多應(yīng)用，緊湊型原子鐘可以更廣泛地部署在包括太空在內(nèi)等多種環(huán)境中，能為通信網(wǎng)絡(luò)提供彈性，保證即使網(wǎng)絡(luò)中斷，本地時(shí)鐘也可以確保準(zhǔn)確計(jì)時(shí)。

盡管這看起來(lái)有違常理，但激光可以通過(guò)施加使原子減速的力，來(lái)將原子冷卻到極低的溫度。

目前很多科學(xué)家都在開(kāi)發(fā)緊湊型激光冷原子設(shè)備。這種設(shè)備除了應(yīng)用于計(jì)時(shí)之外，還可以用于重力測(cè)量、慣性導(dǎo)航和通信的天基實(shí)驗(yàn)中，以及可以用來(lái)進(jìn)行廣義相對(duì)論、暗物質(zhì)、引力波等物理研究。

這種冷原子裝置的關(guān)鍵組件是冷原子源，它產(chǎn)生一束激光冷卻原子，定向到精確測(cè)量的區(qū)域。這允許同時(shí)存在用于測(cè)量的低環(huán)境壓力和龐大原子群，與單室冷原子系統(tǒng)形成鮮明對(duì)比。單室冷原子系統(tǒng)直接在測(cè)量位置產(chǎn)生原子，因此需要在測(cè)量的低壓和快速原子生成的高壓之間進(jìn)行權(quán)衡。

二、可調(diào)節(jié)光圈，調(diào)控靈活、組裝簡(jiǎn)化

激光冷卻原子通常需要復(fù)雜的反射鏡排列，才能將光從各個(gè)方向照射到真空中的原子上。在這項(xiàng)新研究中，研究人員創(chuàng)造了一個(gè)完全不同的設(shè)計(jì)，在基于金子塔形磁光井（Magneto-optical trap，MOT）的高通量緊湊型冷原子源中只使用了四個(gè)反射鏡，這款冷原子源帶有獨(dú)特可調(diào)節(jié)光圈，非常適合便攜式量子技術(shù)設(shè)備。

四個(gè)相同的反射鏡位于圓形“旋轉(zhuǎn)器”板上的直形凹槽中：凹槽將每個(gè)反射鏡限制在單個(gè)方向上滑動(dòng)。旋轉(zhuǎn)板位于圓形“底座”板上，具有類似但彎曲的插槽。每個(gè)反射鏡都有一個(gè)通過(guò)旋轉(zhuǎn)器和底板的插槽螺栓，可以擰緊以固定反射鏡。因此，這些板相對(duì)于彼此的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致反射鏡的同步運(yùn)動(dòng)。這實(shí)現(xiàn)了可調(diào)整光圈大小（定義為方形光圈的一側(cè)長(zhǎng)度），同時(shí)保持反射鏡的正確角度并避免接觸或刮擦。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是冷原子源的四個(gè)反射鏡像金字塔一樣排列，并以一種讓它們能夠像花瓣一樣相互滑過(guò)的方式在金字塔頂部形成一個(gè)洞，冷原子通過(guò)該洞被推出?？梢哉{(diào)整該孔的大小以優(yōu)化出用于各種應(yīng)用的冷原子流。

金字塔排列的鏡子反射來(lái)自單個(gè)入射激光束的光，該激光束通過(guò)單個(gè)視口進(jìn)入真空室，從而大大簡(jiǎn)化了光學(xué)器件。這些位于冷原子源真空區(qū)域內(nèi)的反射鏡是通過(guò)拋光金屬并施加介電涂層制成的。

研究負(fù)責(zé)人克里斯托弗·富特（Christopher Foot）說(shuō)：“這種設(shè)計(jì)的可調(diào)節(jié)性是一個(gè)全新的功能，用四個(gè)相同的拋光金屬塊創(chuàng)建金字塔簡(jiǎn)化了組裝，無(wú)需調(diào)整機(jī)制即可使用?！?/p>

三、冷原子源高通量輸出，實(shí)現(xiàn)更好測(cè)量

為了測(cè)試他們新的冷原子源設(shè)計(jì)，研究人員建造了實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，以充分描述通過(guò)反光鏡金字塔頂點(diǎn)這個(gè)光圈發(fā)射的原子通量情況。

“我們獲得了異常高的銣原子通量。”富特表示，大多數(shù)冷原子設(shè)備進(jìn)行的測(cè)量會(huì)隨著使用的原子數(shù)量而有所改善，因此可以使用具有更高通量的源來(lái)提高測(cè)量精度、提高信噪比或幫助實(shí)現(xiàn)更大的測(cè)量帶寬。即使以50%的強(qiáng)度運(yùn)行，這款冷原子源在原子通量方面，仍然比已有文獻(xiàn)中其他可用于便攜式設(shè)備的冷原子源性能更好。

可調(diào)光圈特性使研究人員能夠觀察到通量對(duì)光圈大小的強(qiáng)烈依賴性，最佳光圈大小約為1.4±0.2毫米。更大的光圈尺寸會(huì)使冷原子源更堅(jiān)固，因此，較大的光圈尺寸似乎更適合在機(jī)械應(yīng)力或磁場(chǎng)變化中使用的便攜式設(shè)備，例如實(shí)現(xiàn)在地磁場(chǎng)中重新定位或重新定向。此外，這種冷原子源設(shè)計(jì)還是可擴(kuò)展的，一個(gè)更大的金字塔冷原子源預(yù)計(jì)將產(chǎn)生更高的通量。

研究人員表示，這款新的冷原子源裝置適合商業(yè)應(yīng)用，由于它具有少量組件和很簡(jiǎn)單的組裝步驟，因此生產(chǎn)起來(lái)將很容易。

結(jié)語(yǔ)：便攜式量子設(shè)備可用

除了測(cè)量性能上的優(yōu)勢(shì)，這款冷原子源裝置的低功耗和小尺寸特性對(duì)于便攜式量子設(shè)備來(lái)說(shuō)，也是影響其選擇的重要因素。

并且，這款冷原子裝置還是可以擴(kuò)展的，針對(duì)不同的便攜式量子設(shè)備也可以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的調(diào)整。這對(duì)于擴(kuò)大便攜式量子設(shè)備的使用有所幫助。

來(lái)源：Science Daily、Optics Express