對于一個非物理學家來說，“原子束準直器”聽起來可能像一個相位器在發(fā)射神秘的粒子。這或許不是引入一項技術的最糟糕比喻，研究人員目前已將其小型化，使其更有可能在某一天應用于手持設備。

原子束準直器主要是在物理實驗室中發(fā)現(xiàn)，它們在光束中發(fā)射出原子，產生奇異的量子現(xiàn)象，其性質可能對精密技術有用。佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員希望，通過將準直儀從小型設備的尺寸縮小到適合放在指尖尺寸，讓工程師們能夠使用這種技術來開發(fā)原子鐘或加速計等先進設備。

喬治亞理工大學物理學院副教授、該項研究的聯(lián)合首席研究員錢德拉·拉曼說：這種設備可能是下一代陀螺儀，它是一種獨立于GPS的精確導航系統(tǒng)，可以在遠離衛(wèi)星范圍的偏遠地區(qū)或太空旅行時使用。這項研究由海軍研究辦公室資助，研究人員于2019年4月23日在《自然通訊》上發(fā)表了他們的研究結果。這是準直儀，原子束中的一些量子勢，以及微型準直儀的形式如何幫助原子束形成新一代的技術。準直原子束已經存在幾十年了，但目前，準直儀必須很大才能精確。

原子束從一個充滿原子的盒子里開始，通常是銣原子，加熱成蒸汽，原子就會亂蹦亂跳。一根管子輕敲盒子，隨機原子以正確的軌跡射入管子，就像子彈射入獵槍的槍管一樣。就像子彈離開散彈槍一樣，原子從管的一端射出，射得相當直，但也會有隨機原子噴射以傾斜的角度飛行。在原子束中，這種噴霧會產生信號噪聲，而改進后的晶片準直儀可以消除大部分噪聲，從而獲得更精確、幾乎完全平行的原子束。光束比來自現(xiàn)有準直儀的光束更加聚焦和純凈，研究人員還希望他們的準直儀能讓實驗物理學家更方便地創(chuàng)建復雜的量子態(tài)。

固定式慣性電機

但更直接的是，準直儀建立了牛頓力學，可以應用于實際，改進后的光束具有穩(wěn)定的慣性，因為與由無質量光子構成的激光束不同，原子具有質量，因此具有動量和慣性。這使得的光束成為束驅動陀螺儀中潛在理想參考點，有助于跟蹤運動和位置變化。目前無gps導航設備中的陀螺儀在短期內是精確的，但在長期內就不那么精確了，這意味著要經常重新校準或替換它們，這使得它們在月球或火星上不那么方便。

佐治亞理工大學電氣與計算機工程學院肯·拜爾斯教授、該研究的聯(lián)合首席研究員法魯克·阿亞茲說：基于MEMS(微機電系統(tǒng))技術的傳統(tǒng)芯片規(guī)模儀器會隨著時間的推移受到各種壓力的影響而漂移。為了消除這種漂移，需要一個絕對穩(wěn)定的機制，這種原子束在芯片上產生了那種參照。

量子糾纏光束

光束中的熱激發(fā)原子也可以轉化為里德伯原子，從而提供了豐富的量子特性。當一個原子受到足夠的能量時，它最外層軌道上的電子就會向外撞擊，以至于原子膨脹起來。在如此遙遠的軌道上以如此大的能量運行，以至于最外層電子表現(xiàn)得像氫原子的孤電子，而里德伯格原子的行為就好像它只有一個質子。可以利用里德伯格態(tài)來設計某些類型的多原子量子糾纏，因為原子之間的相互作用比基態(tài)的兩個原子強得多。里德伯格原子還可以推進未來的傳感器技術，因為它們對力的通量或比電子規(guī)模小的電子領域通量非常敏感，它們也可以用于量子信息處理。

光刻硅槽

研究人員設計了一種非常方便的方法來制造這種新型準直儀，這可能會鼓勵制造商采用這種方法：在平行于平板表面的硅片上切割狹長通道。這些通道就像并排排列的槍管，用來發(fā)射一系列原子束。硅是一種非常光滑的材料，可以讓原子飛過去，也用于許多現(xiàn)有的微電子和計算技術。這為將這些技術與新的微型準直儀結合在芯片上提供了可能。光刻技術用于蝕刻現(xiàn)有的芯片技術，用于精確地切割準直儀的通道。

研究人員最大的創(chuàng)新是大大降低了散彈槍式噴霧，即信號噪聲。他們在通道上切了兩個缺口，形成了由三組平行排列的桶組成的對齊的級聯(lián)。以傾斜角度飛行的原子在縫隙處跳出溝道，那些在第一個溝道陣列中合理平行飛行的原子繼續(xù)向下一個溝道陣列飛行，然后這個過程從第二個溝道陣列重復進入第三個溝道陣列，這使得新的準直器的原子束具有非凡的直線度。

博科園-科學科普｜研究/來自:?佐治亞理工學院

參考期刊文獻:《Nature Communications》

DOI: 10.1038/s41467-019-09647-3

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