几乎完全平行！原子束通过级联式硅棒射得更直
对于一个非物理学家来说，“原子束准直器”听起来可能像一个相位器在发射神秘的粒子。这或许不是引入一项技术的最糟糕比喻，研究人员目前已将其小型化，使其更有可能在某一天应用于手持设备。原子束准直器主要是在物理实验室中发现，它们在光束中发射出原子，产生奇异的量子现象，其性质可能对精密技术有用。佐治亚理工学院(Georgia Institute of Technology)的研究人员希望，通过将准直仪从小型设备的尺寸缩小到适合放在指尖尺寸，让工程师们能够使用这种技术来开发原子钟或加速计等先进设备。
乔治亚理工大学物理学院副教授、该项研究的联合首席研究员钱德拉·拉曼说：这种设备可能是下一代陀螺仪，它是一种独立于GPS的精确导航系统，可以在远离卫星范围的偏远地区或太空旅行时使用。这项研究由海军研究办公室资助，研究人员于2019年4月23日在《自然通讯》上发表了他们的研究结果。这是准直仪，原子束中的一些量子势，以及微型准直仪的形式如何帮助原子束形成新一代的技术。准直原子束已经存在几十年了，但目前，准直仪必须很大才能精确。
原子束从一个充满原子的盒子里开始，通常是铷原子，加热成蒸汽，原子就会乱蹦乱跳。一根管子轻敲盒子，随机原子以正确的轨迹射入管子，就像子弹射入猎枪的枪管一样。就像子弹离开散弹枪一样，原子从管的一端射出，射得相当直，但也会有随机原子喷射以倾斜的角度飞行。在原子束中，这种喷雾会产生信号噪声，而改进后的晶片准直仪可以消除大部分噪声，从而获得更精确、几乎完全平行的原子束。光束比来自现有准直仪的光束更加聚焦和纯净，研究人员还希望他们的准直仪能让实验物理学家更方便地创建复杂的量子态。
固定式惯性电机但更直接的是，准直仪建立了牛顿力学，可以应用于实际，改进后的光束具有稳定的惯性，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。这使得的光束成为束驱动陀螺仪中潜在理想参考点，有助于跟踪运动和位置变化。目前无gps导航设备中的陀螺仪在短期内是精确的，但在长期内就不那么精确了，这意味着要经常重新校准或替换它们，这使得它们在月球或火星上不那么方便。
佐治亚理工大学电气与计算机工程学院肯·拜尔斯教授、该研究的联合首席研究员法鲁克·阿亚兹说：基于MEMS(微机电系统)技术的传统芯片规模仪器会随着时间的推移受到各种压力的影响而漂移。为了消除这种漂移，需要一个绝对稳定的机制，这种原子束在芯片上产生了那种参照。
量子纠缠光束光束中的热激发原子也可以转化为里德伯原子，从而提供了丰富的量子特性。当一个原子受到足够的能量时，它最外层轨道上的电子就会向外撞击，以至于原子膨胀起来。在如此遥远的轨道上以如此大的能量运行，以至于最外层电子表现得像氢原子的孤电子，而里德伯格原子的行为就好像它只有一个质子。可以利用里德伯格态来设计某些类型的多原子量子纠缠，因为原子之间的相互作用比基态的两个原子强得多。里德伯格原子还可以推进未来的传感器技术，因为它们对力的通量或比电子规模小的电子领域通量非常敏感，它们也可以用于量子信息处理。
光刻硅槽研究人员设计了一种非常方便的方法来制造这种新型准直仪，这可能会鼓励制造商采用这种方法：在平行于平板表面的硅片上切割狭长通道。这些通道就像并排排列的枪管，用来发射一系列原子束。硅是一种非常光滑的材料，可以让原子飞过去，也用于许多现有的微电子和计算技术。这为将这些技术与新的微型准直仪结合在芯片上提供了可能。光刻技术用于蚀刻现有的芯片技术，用于精确地切割准直仪的通道。
研究人员最大的创新是大大降低了散弹枪式喷雾，即信号噪声。他们在通道上切了两个缺口，形成了由三组平行排列的桶组成的对齐的级联。以倾斜角度飞行的原子在缝隙处跳出沟道，那些在第一个沟道阵列中合理平行飞行的原子继续向下一个沟道阵列飞行，然后这个过程从第二个沟道阵列重复进入第三个沟道阵列，这使得新的准直器的原子束具有非凡的直线度。
博科园-科学科普｜研究/来自: 佐治亚理工学院
参考期刊文献:《Nature Communications》
DOI: 10.1038/s41467-019-09647-3
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