“磁场”用便携式电池就能给磁光阱充电？首次实现芯片集成的冷原子磁光阱系统

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磁光阱是一种囚禁中性原子的有效手段，其系统是一种用于数学领域的分析仪器，这种仪器能够用于激光冷却囚禁住超冷的铷原子团。磁光阱作为对原子蒸气进行冷却和俘获的基本手段之一，在现代原子物理领域有广泛的应用。通过磁光阱获得的冷原子系综是实现长相干时间量子比特，以及基于此的量子精密测量、量子模拟、量子计算等应用的必要基础。

然而，传统的磁光阱系统在进一步的可扩展应用上受到一些制约，例如多路自由空间光束对准、庞大的反亥姆霍兹线圈、以及磁场和光场中心的严格重合等挑战。如何实现小型化乃至芯片化的磁光阱系统，引起了国际上研究人员的广泛兴趣。

光栅芯片的磁光阱极大地简化了传统磁光阱中六束空间光的入射系统，有着体积小、重量轻、光窗口丰富并且可延展性高的优点，在移动式量子精密测量系统、集成化量子计算系统中都有着强大的潜力。然而对于磁光阱的另一重要组成部分——磁场线圈，仍然只能采用三维的线圈对来实现。如果将磁场线圈的尺寸变大，则需要更粗的导线和更强的电流来实现所学的磁场梯度，并且功耗大，发热严重。但若是将线圈的尺寸减小，则线圈可能会严重阻碍光路，减小可供使用光学窗口大小。

近日，中国科技大学郭光灿院士团队与卢征天教授合作，他们提出了一种全新的平面化磁场线圈构型，仅需一块3cm×3cm的芯片即可产生磁光阱所需的四极磁场。研究团队自主设计和加工了相互匹配的磁场芯片与光栅芯片，并基于此成功地俘获了超过106个低温87Rb原子，证明了这个新颖构型的实用性。他们所设计的两种芯片尺寸小、重量轻、功耗低，腾出了更多的光学窗口。并且在使用上也非常方便，将两块芯片叠在一起，仅需用透明胶将其固定在真空的玻璃窗口外面，通过单束激光入射即可俘获冷原子。这种磁场芯片仅需6.4w就能驱动，有望用便携蓄电池为其供电，这项发现推动了磁光阱系统的进一步集成。

并且该项实验中发现，随着磁场电流的增大，局部最优的光场失谐也会随之近似线性地增大。研究组从原子的能级构型出发，提出这可能是由磁场的尺寸缩减导致的，并实验验证了这一磁光阱调控新特点，而这一点在传统的三维大线圈构型下恰恰容易被忽略。这个工作在实验上观察到了这一重要的物理现象，并提供了对磁光阱表现的新理解。相关成果以“Planar-integrated magneto-optical trap”为题3月10日在线发表于国际学术期刊《Physical Review Applied》上。

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