原子束通過級聯(lián)硅噴射器直射

原子束讓人想起巨大的太空力量教規(guī)。但是真正的微小原子束是從新設(shè)計(jì)的準(zhǔn)直器中射出的，這種準(zhǔn)直器是一種可能落在手持設(shè)備中的微型硅片。從它們流出的光束產(chǎn)生精確的慣性比陀螺儀更好，這可以幫助航天器導(dǎo)航太陽系。來自新準(zhǔn)直器的原子束也可以讓物理學(xué)家廉價(jià)而輕松地產(chǎn)生奇異的量子力學(xué)狀態(tài)。對于非物理學(xué)家來說，“原子束準(zhǔn)直器”可能聽起來像是一個(gè)發(fā)射神秘粒子的相位器。這可能不是引入研究人員現(xiàn)在已經(jīng)小型化的技術(shù)的最糟糕的比喻，使得它有可能在某一天落入手持設(shè)備。

今天，原子束準(zhǔn)直器主要存在于物理實(shí)驗(yàn)室中，它們在光束中射出原子，產(chǎn)生奇異的量子現(xiàn)象，并具有可用于精密技術(shù)的特性。通過將準(zhǔn)直器從小型設(shè)備的尺寸縮小到適合指尖，佐治亞理工學(xué)院的研究人員希望將這項(xiàng)技術(shù)提供給工程師推進(jìn)設(shè)備，如原子鐘或加速度計(jì)，這是智能手機(jī)中的一個(gè)組件。

“你可以做出的典型設(shè)備是用于精確導(dǎo)航系統(tǒng)的下一代陀螺儀，該系統(tǒng)獨(dú)立于GPS，可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)的衛(wèi)星射程或太空旅行時(shí)使用，”錢德拉說。拉曼，喬治亞理工學(xué)院物理學(xué)院的副教授，也是該研究的聯(lián)合首席研究員。

該研究由海軍研究辦公室資助。研究人員于2019年4月23日在Nature Communications雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

這就是準(zhǔn)直器的原理，原子束中的一些量子勢能，以及微型準(zhǔn)直器格式如何幫助原子束塑造新一代技術(shù)。

口袋原子霰彈槍

“準(zhǔn)直的原子束已經(jīng)存在了幾十年，”拉曼說，“但目前，為了精確，準(zhǔn)直器必須很大。”

原子束開始于一個(gè)充滿原子的盒子里，通常是銣，加熱成蒸汽，這樣原子就會混亂。一個(gè)管子進(jìn)入盒子，具有正確軌跡的隨機(jī)原子射入管子，就像進(jìn)入霰彈槍槍管的彈丸一樣。

就像離開霰彈槍的彈丸一樣，原子從射擊管的末端射出相當(dāng)直的射擊，但也隨著原子射擊的隨機(jī)噴射以傾斜的角度飛行。在原子束中，該噴霧產(chǎn)生信號噪聲，并且改進(jìn)的芯片準(zhǔn)直器消除了其中的大部分，以獲得更精確，幾乎完全平行的原子束。

光束比來自現(xiàn)有準(zhǔn)直器的光束更加聚焦和純凈。研究人員還希望他們的準(zhǔn)直器能夠使實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家更方便地創(chuàng)建復(fù)雜的量子態(tài)。

堅(jiān)定不移的慣性機(jī)器

但更準(zhǔn)確的是，準(zhǔn)直器設(shè)置了可以適應(yīng)實(shí)際使用的牛頓力學(xué)。

改進(jìn)的光束是不受約束的慣性流，因?yàn)榕c由無質(zhì)量光子構(gòu)成的激光束不同，原子具有質(zhì)量，因此具有動量和慣性。這使得它們的光束成為光束驅(qū)動陀螺儀中可能的理想?yún)⒖键c(diǎn)，有助于跟蹤運(yùn)動和位置變化。

無GPS導(dǎo)航設(shè)備中的當(dāng)前陀螺儀在短期內(nèi)是精確的而不是長期的，這意味著經(jīng)常重新校準(zhǔn)或更換它們，這使得它們在月球或火星上不太方便。

“基于MEMS(微機(jī)電系統(tǒng))技術(shù)的傳統(tǒng)芯片級儀器受到各種應(yīng)力隨時(shí)間的漂移的影響，”聯(lián)合首席研究員Farrokh Ayazi說道，他是佐治亞理工學(xué)院電氣和計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的Ken Byers教授。“為了消除這種漂移，你需要一種絕對穩(wěn)定的機(jī)制。這種原子束在芯片上創(chuàng)造了這種參考。”

量子糾纏光束

光束中的熱激發(fā)原子也可以轉(zhuǎn)換成里德伯原子，這提供了量子特性的聚寶盆。

當(dāng)一個(gè)原子充足地通電時(shí)，它的最外面的軌道電子突然到達(dá)原子氣球的尺寸。到目前為止，以如此多的能量軌道運(yùn)行，最外層的電子表現(xiàn)得像氫原子的孤立電子，而里德堡原子就好像它只有一個(gè)質(zhì)子一樣。

“你可以利用里德堡態(tài)來設(shè)計(jì)某種多原子量子糾纏，因?yàn)樵酉嗷プ饔玫哪芰Ρ然鶓B(tài)的兩個(gè)原子強(qiáng)得多，”拉曼說。

“里德伯原子也可能推進(jìn)未來的傳感器技術(shù)，因?yàn)樗鼈儗αΦ耐炕螂娮訄鲋械碾娮映叨刃∮陔娮映叨让舾校?rdquo;Ayazi說。“它們也可用于量子信息處理。”

石版印刷硅槽

研究人員設(shè)計(jì)了一種令人驚訝的方法來制造新的準(zhǔn)直器，這可能會鼓勵制造商采用它：它們通過平行于其平面的硅晶片切割長而極窄的通道。這些通道就像霰彈槍并排排列，射出一排原子束。

硅是原子飛過的極其光滑的材料，并且還用于許多現(xiàn)有的微電子和計(jì)算技術(shù)中。這為將這些技術(shù)與芯片與新型微型準(zhǔn)直器相結(jié)合提供了可能性。用于蝕刻現(xiàn)有芯片技術(shù)的光刻技術(shù)被用于精確切割準(zhǔn)直器的通道。

研究人員最大的創(chuàng)新大大減少了類似鳥槍的噴霧，即信號噪音。他們在通道中切出兩個(gè)間隙，形成三組平行的桶陣列的對齊級聯(lián)。

以傾斜角度飛行的原子跳出間隙處的通道，并且在第一通道陣列中合理平行的那些原子繼續(xù)到下一個(gè)通道，然后該過程從第二通道重復(fù)進(jìn)入第三通道陣列。這使得新準(zhǔn)直器的原子束具有非凡的直線度。