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原子束通过级联硅喷射器直射

2019-07-09 16:13:46 来源:

原子束让人想起巨大的太空力量教规。但是真正的微小原子束是从新设计的准直器中射出的,这种准直器是一种可能落在手持设备中的微型硅片。从它们流出的光束产生精确的惯性比陀螺仪更好,这可以帮助航天器导航太阳系。来自新准直器的原子束也可以让物理学家廉价而轻松地产生奇异的量子力学状态。对于非物理学家来说,“原子束准直器”可能听起来像是一个发射神秘粒子的相位器。这可能不是引入研究人员现在已经小型化的技术的最糟糕的比喻,使得它有可能在某一天落入手持设备。

今天,原子束准直器主要存在于物理实验室中,它们在光束中射出原子,产生奇异的量子现象,并具有可用于精密技术的特性。通过将准直器从小型设备的尺寸缩小到适合指尖,佐治亚理工学院的研究人员希望将这项技术提供给工程师推进设备,如原子钟或加速度计,这是智能手机中的一个组件。

“你可以做出的典型设备是用于精确导航系统的下一代陀螺仪,该系统独立于GPS,可以在偏远地区的卫星射程或太空旅行时使用,”钱德拉说。拉曼,乔治亚理工学院物理学院的副教授,也是该研究的联合首席研究员。

该研究由海军研究办公室资助。研究人员于2019年4月23日在Nature Communications杂志上发表了他们的研究结果。

这就是准直器的原理,原子束中的一些量子势能,以及微型准直器格式如何帮助原子束塑造新一代技术。

口袋原子霰弹枪

“准直的原子束已经存在了几十年,”拉曼说,“但目前,为了精确,准直器必须很大。”

原子束开始于一个充满原子的盒子里,通常是铷,加热成蒸汽,这样原子就会混乱。一个管子进入盒子,具有正确轨迹的随机原子射入管子,就像进入霰弹枪枪管的弹丸一样。

就像离开霰弹枪的弹丸一样,原子从射击管的末端射出相当直的射击,但也随着原子射击的随机喷射以倾斜的角度飞行。在原子束中,该喷雾产生信号噪声,并且改进的芯片准直器消除了其中的大部分,以获得更精确,几乎完全平行的原子束。

光束比来自现有准直器的光束更加聚焦和纯净。研究人员还希望他们的准直器能够使实验物理学家更方便地创建复杂的量子态。

坚定不移的惯性机器

但更准确的是,准直器设置了可以适应实际使用的牛顿力学。

改进的光束是不受约束的惯性流,因为与由无质量光子构成的激光束不同,原子具有质量,因此具有动量和惯性。这使得它们的光束成为光束驱动陀螺仪中可能的理想参考点,有助于跟踪运动和位置变化。

无GPS导航设备中的当前陀螺仪在短期内是精确的而不是长期的,这意味着经常重新校准或更换它们,这使得它们在月球或火星上不太方便。

“基于MEMS(微机电系统)技术的传统芯片级仪器受到各种应力随时间的漂移的影响,”联合首席研究员Farrokh Ayazi说道,他是佐治亚理工学院电气和计算机工程学院的Ken Byers教授。“为了消除这种漂移,你需要一种绝对稳定的机制。这种原子束在芯片上创造了这种参考。”

量子纠缠光束

光束中的热激发原子也可以转换成里德伯原子,这提供了量子特性的聚宝盆。

当一个原子充足地通电时,它的最外面的轨道电子突然到达原子气球的尺寸。到目前为止,以如此多的能量轨道运行,最外层的电子表现得像氢原子的孤立电子,而里德堡原子就好像它只有一个质子一样。

“你可以利用里德堡态来设计某种多原子量子纠缠,因为原子相互作用的能力比基态的两个原子强得多,”拉曼说。

“里德伯原子也可能推进未来的传感器技术,因为它们对力的通量或电子场中的电子尺度小于电子尺度敏感,”Ayazi说。“它们也可用于量子信息处理。”

石版印刷硅槽

研究人员设计了一种令人惊讶的方法来制造新的准直器,这可能会鼓励制造商采用它:它们通过平行于其平面的硅晶片切割长而极窄的通道。这些通道就像霰弹枪并排排列,射出一排原子束。

硅是原子飞过的极其光滑的材料,并且还用于许多现有的微电子和计算技术中。这为将这些技术与芯片与新型微型准直器相结合提供了可能性。用于蚀刻现有芯片技术的光刻技术被用于精确切割准直器的通道。

研究人员最大的创新大大减少了类似鸟枪的喷雾,即信号噪音。他们在通道中切出两个间隙,形成三组平行的桶阵列的对齐级联。

以倾斜角度飞行的原子跳出间隙处的通道,并且在第一通道阵列中合理平行的那些原子继续到下一个通道,然后该过程从第二通道重复进入第三通道阵列。这使得新准直器的原子束具有非凡的直线度。

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