光学冷却套件小型化，以实现芯片上的冷原子

在室温下，原子不断运动，以接近声速的速度旋转。冷却原子-减少它们的动能-使它们减速到最低的量子态，显示出不同寻常的特性。当原子冷却到0.1m/s左右时，研究人员可以足够精确地测量粒子的能量跃迁和其他量子特性，以供导航和其他应用参考。

在1995年,美国科学家首次将原子冷却到绝对零度以上十亿分之一度通过激光冷却(以精心选择的频率用散射光带走能量)和蒸发冷却(从磁阱中喷射出最温暖的原子)来预冷却气体。

制备具有激光冷却特性的激光通常需要一个像餐桌一样大的光学组件，这限制了超冷原子在实验室之外的使用。

现在，NIST研究员William McGehee博士和他的同事们创造了一个只有15厘米长的紧凑光学平台，可以在1厘米宽的区域内冷却和捕获气体中的原子。这是第一个完全依赖于平面光学的微型冷却系统，使其更容易大规模生产。尽管该系统大了大约10倍，无法安装在微芯片上，但它是将超冷原子整合到实验室之外的芯片设备中的重要一步。

“这很重要，因为它展示了制造真正设备的途径，而不仅仅是实验室实验的小型版本，”McGehee说。

首先，光从一个光学集成电路发射，使用一个被称为极端模式转换器的设备将激光束放大到其原始宽度的数百倍。光照射在一个超薄的薄膜上，上面布满了长600nm、宽100nm的小柱子(超表面的一个例子)。这些微小的柱子进一步扩大激光束，并改变光波的强度和偏振，从而产生亮度均匀的光束;这些变化使它能够有效地冷却大量原子。

然后，经过重塑的光束照射到衍射光栅上，衍射光栅将光栅分成三对大小相等、方向相反的光束。与外加磁场相结合，这些光束从相反的方向推动原子，将它们困在原地。

虽然系统的每个组件(转换器、超表面和光栅)都是在NIST开发的，但它们在不同的实验室中运行。McGehee和他的团队首次将它们聚集在一起，创建了光学系统。

“这就是故事有趣的地方，”他说。“我认识NIST的所有科学家，他们都独立研究过这些不同的组件，我意识到这些元素可以组合在一起，创建一个小型化的激光冷却系统。”

他说，这证明了激光冷却原子可以被集成到芯片中的原理:“最终，使光制备更小、更简单将使基于激光冷却的技术在实验室之外存在，”他说。

芯片上的超冷原子可以驱动新一代超精密原子钟和磁力计，可以在没有GPS的情况下导航，还可以模拟量子系统，这是最强大的超级计算机无法模拟的。