李沫 陳飛良 羅小嘉 楊麗君 張健

1) (電子科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院, 成都 611731)

2) (中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所, 綿陽(yáng) 621999)

1 引 言

中性原子的冷卻、囚禁、導(dǎo)引等操控技術(shù)的發(fā)展, 不僅深化了人們對(duì)微觀物質(zhì)基本規(guī)律的認(rèn)識(shí),而且極大地拓展了原子物理學(xué)的應(yīng)用范圍, 構(gòu)建了一系列具有顛覆性、變革性的測(cè)量、傳感與信息處理裝置.傳統(tǒng)的冷原子實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成非常復(fù)雜, 包含激光系統(tǒng)、真空系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)等部件, 成為其在體積和重量有嚴(yán)格要求的場(chǎng)景中應(yīng)用的重要制約.受微納加工技術(shù)和集成電路發(fā)展理念的啟發(fā),人們提出將原子操控裝置微型化甚至實(shí)現(xiàn)片上集成來(lái)推動(dòng)冷原子技術(shù)走向?qū)嵱?原子芯片(atom chip)正是依據(jù)這一理念, 基于微納加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)的具備特定微結(jié)構(gòu)的原子操控器件, 通過(guò)在微尺度條件下產(chǎn)生可調(diào)控的光場(chǎng)、電場(chǎng)或磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)冷原子云、玻色-愛因斯坦凝聚(BEC)或帶電粒子的內(nèi)部或外部自由度的操控.原子芯片技術(shù)始于20 世紀(jì)90 年代初, 科學(xué)家在實(shí)現(xiàn)自由空間冷原子的控制后, 開始探索利用自支撐導(dǎo)線對(duì)原子進(jìn)行導(dǎo)引, 期待獲得與原子德布羅意波長(zhǎng)尺度接近的微勢(shì)阱并可在芯片上對(duì)原子進(jìn)行有效操控的目的.1995 年,Schmiedmayer 團(tuán)隊(duì)[1,2]率先實(shí)現(xiàn)了原子芯片微導(dǎo)線原子勢(shì)阱; 1999 年, Reichel 等[3]利用微加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)了芯片上鏡面磁光阱對(duì)中性原子的囚禁;2001 年, 德國(guó)H?nsel 小組[4]進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了原子芯片上中性原子BEC.自此, 原子芯片引發(fā)了科學(xué)家們的廣泛興趣, 得到了迅速發(fā)展.與宏觀線圈相比,原子芯片具有功耗低、尺寸小、磁場(chǎng)梯度大、束縛強(qiáng)、可以靈活設(shè)計(jì)不同形狀的勢(shì)阱等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[5].特別是原子芯片上可以產(chǎn)生閉合導(dǎo)引, 使原子物質(zhì)波波包能在保持良好相干性的情況下往返運(yùn)動(dòng), 解決自由空間難以形成大面積閉合環(huán)路且噪聲干擾大、Raman 分束器的性能受限于雙光子反沖的限制, 這對(duì)原子干涉陀螺儀具有極為重要的意義.除在芯片上構(gòu)造微勢(shì)阱、微導(dǎo)引的原子芯片外, 利用MEMS 等微納技術(shù)將原子氣室及部分量子光學(xué)部件進(jìn)行片上加工與集成也被認(rèn)為是芯片級(jí)的原子技術(shù).目前, 原子芯片的操控對(duì)象已擴(kuò)展到里德伯原子、冷分子、帶電粒子, 芯片類型從金屬導(dǎo)線原子芯片拓展到超導(dǎo)原子芯片、磁性薄膜原子芯片、光晶格及超表面原子芯片等, 從最初的單一磁阱結(jié)構(gòu)逐步向?qū)⒐庠础⑻綔y(cè)器、微透鏡、光開關(guān)、光波導(dǎo)、微腔等多功能片上集成的方向發(fā)展, 內(nèi)外態(tài)操控手段日益豐富與成熟[6-10], 成功地在原子干涉儀、原子重力儀、量子信息處理、芯片級(jí)原子鐘、芯片級(jí)原子磁力計(jì)等場(chǎng)景得到應(yīng)用, 并有潛力拓展到引力波探測(cè)、暗物質(zhì)探尋等基礎(chǔ)領(lǐng)域, 有望改變傳統(tǒng)量子光學(xué)與原子物理實(shí)驗(yàn)裝置復(fù)雜、龐大、笨重的限制, 建立一個(gè)強(qiáng)大的量子基礎(chǔ)與應(yīng)用的片上實(shí)驗(yàn)平臺(tái), 為人們開展更多自由度、更復(fù)雜精準(zhǔn)的宏觀量子研究提供重要的手段.鑒于原子芯片展示出的極大潛力和已經(jīng)獲得的豐碩成果, 本文將對(duì)原子芯片, 特別是載流導(dǎo)線型原子芯片相關(guān)的基本原理與關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)、國(guó)際相關(guān)研究布局與主要進(jìn)展進(jìn)行綜述, 并且探討該技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)性問(wèn)題和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì).

2 原子芯片上原子操控的基本原理

對(duì)中性原子冷卻、囚禁、反射、偏轉(zhuǎn)、準(zhǔn)直以及衍射、分束、干涉、導(dǎo)引等可統(tǒng)稱為對(duì)中性原子的操控, 其實(shí)現(xiàn)方式主要包括電、光、磁3 種, 依賴于電場(chǎng)、光場(chǎng)或磁場(chǎng)與原子感應(yīng)電偶極矩(或磁偶極矩)的相互作用[11].本文主要介紹采用微納加工技術(shù)制作的芯片上載流導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)對(duì)中性原子進(jìn)行操控的相關(guān)內(nèi)容.

2.1 原子芯片上的微勢(shì)阱

大部分的宏觀靜磁阱(尺寸為1—100 cm)通過(guò)大型通電線圈、超導(dǎo)線圈或永磁體等產(chǎn)生.在芯片上利用微納加工制作出特定結(jié)構(gòu)的導(dǎo)線, 通電后產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外部偏置磁場(chǎng)相結(jié)合可以構(gòu)造與宏觀效果類似的微磁阱, 并且得益于襯底對(duì)載流導(dǎo)線的優(yōu)異散熱性能, 可以產(chǎn)生很大的電流密度和磁場(chǎng)梯度, 很容易實(shí)現(xiàn)如四極阱[12]和Ioffe-Prichard阱(IP 阱)[13]等靜態(tài)阱以及與時(shí)間相關(guān)的動(dòng)態(tài)阱[14,15].

常見的微磁阱主要有如下幾種構(gòu)型.

1) 簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的三維微磁阱.將一根直導(dǎo)線彎折成U 形或Z 形, 通電后再輔以外部偏置磁場(chǎng)就可以構(gòu)成微磁阱, 如圖1 所示.當(dāng)直導(dǎo)線折成U 形時(shí), U 形兩邊所產(chǎn)生的磁場(chǎng)在阱的中心相互抵消,形成一個(gè)零場(chǎng)區(qū)域.由于原子在經(jīng)過(guò)磁場(chǎng)零點(diǎn)處可能因?yàn)轳R約拉納躍遷由束縛態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉鞘`態(tài)而從磁阱中逃逸, 因此消除磁阱的磁場(chǎng)零點(diǎn)非常重要, 如通過(guò)時(shí)間軌道平均勢(shì)(time-orbiting potential,TOP)的方法來(lái)消除[16].當(dāng)直導(dǎo)線折成Z 形時(shí),Z 形阱的中心磁場(chǎng)是兩個(gè)折彎的部分產(chǎn)生的磁場(chǎng)的疊加, 是一種沒(méi)有零點(diǎn)的靜磁IP 阱[17].計(jì)算U形和Z 形阱的磁場(chǎng)性質(zhì)時(shí)需要考慮導(dǎo)線的有限尺寸效應(yīng)及彎曲部分的折向等因素的影響, 對(duì)于不同的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的總磁場(chǎng), 可以通過(guò)數(shù)值疊加不同部分所產(chǎn)生磁場(chǎng)來(lái)獲得[3,18].

圖1 (a)由U 形阱形成的四極磁阱; (b)由Z 形阱形成的IP 阱[3]Fig.1.(a) Quadrupole trap by U configuration; (b) Ioffe-Pritchard trap by Z configuration[3].

2) 基于交叉導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的表面微磁阱.在垂直于側(cè)邊導(dǎo)引的導(dǎo)線方向加上一根直導(dǎo)線, 會(huì)在導(dǎo)線交叉位置上方形成dimple 阱[19,20], 如圖2(a)所示.在y 方向電流較弱的情況下, dimple 阱可以認(rèn)為是一個(gè)由x 方向?qū)Ь€形成的四極阱和y 方向?qū)Ь€形成的磁場(chǎng)的疊加, 形成的雪茄型阱的方向取決于偏置場(chǎng)方向.此時(shí)額外添加一根載有相同大小電流的導(dǎo)線即可得到兩個(gè)磁場(chǎng)極值, 這種結(jié)構(gòu)被稱為H 形阱, 如圖2(b)所示[20].對(duì)應(yīng)于y 方向兩根導(dǎo)線的相對(duì)電流的方向(平行或者反平行)的不同, H形導(dǎo)線結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)四極阱或IP 阱.

圖2 (a) Dimple 阱; (b) H 形阱[20]Fig.2.(a) Dimple trap; (b) H-type trap[20].

3) Weinstein-Libbrecht 阱.1995 年, Weinstein和Libbrecht[21]巧妙地提出了實(shí)現(xiàn)IP 阱的平面載流導(dǎo)線設(shè)計(jì)方案, 圖3 為幾種典型結(jié)構(gòu)[21,22]: 圖3(a)由3 組同心半環(huán)組成; 圖3 (b)由兩組同心半環(huán)和一個(gè)外加偏置磁場(chǎng)組成; 圖3 (c)由一個(gè)半環(huán)、一個(gè)圓環(huán)和一個(gè)偏置磁場(chǎng)組成, 基本結(jié)構(gòu)與圖3 (b)類似, 不同之處在于其軸線的磁場(chǎng)梯度更大而徑向的磁場(chǎng)梯度更弱, 這意味著相同的電流強(qiáng)度可以得到更深的勢(shì)阱; 圖3 (d)由兩個(gè)圓環(huán)、一個(gè)偏置磁場(chǎng)和額外的Ioffe 棒組成.

圖3 四種平面Ioffe 阱的方案[22]Fig.3.Four planar Ioffe trap configurations[22].

4) 復(fù)雜結(jié)構(gòu)微磁阱, 如原子傳送帶.圖4(a)是最早實(shí)現(xiàn)的原子傳送帶結(jié)構(gòu)[23].后續(xù)研究人員在此基礎(chǔ)上提出改進(jìn)的雙層原子傳送帶, 可以工作在有偏置磁場(chǎng)和無(wú)偏置磁場(chǎng)兩種模式下, 具有6 通道獨(dú)立的電流, 通過(guò)將單軸線改為3 根平行線來(lái)代替外部偏置磁場(chǎng)的作用, 顯著提升了傳送的性能, 原子的線性傳送距離為6 cm, 總傳送距離可達(dá)24 cm, 如圖4(b)所示[24].近期科研人員提出了基于氮化鋁(AlN)基底的原子傳送帶結(jié)構(gòu), 如圖4(c)所示.該結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)部分, 其中science chip 部分包含利用金導(dǎo)線制作的Z 形阱、U 形阱和mirror-MOT, base chip 部分則是多陣列銅導(dǎo)線的原子傳送帶結(jié)構(gòu).87Rb 冷原子團(tuán)在該傳送帶中以40 mm/s的速度運(yùn)動(dòng), 比前期文獻(xiàn)報(bào)道[25]的原子運(yùn)動(dòng)速度5.3 mm/s 幾乎提高了1 個(gè)數(shù)量級(jí).

除上述的幾類勢(shì)阱外, 還有一類相對(duì)復(fù)雜的雙勢(shì)阱.如華東師范大學(xué)印建平等[26,27]提出了雙Z 形和雙U 形載流導(dǎo)線的微磁阱.雙Z 形磁阱由一個(gè)Z 形載流導(dǎo)線、一根載流直導(dǎo)線和一個(gè)偏置磁場(chǎng)構(gòu)成, 調(diào)節(jié)Z 形載流導(dǎo)線和直導(dǎo)線中電流的相對(duì)強(qiáng)度可以實(shí)現(xiàn)從微磁雙阱到單個(gè)阱的演化, 用于雙樣品BEC 的制備以及BEC 干涉實(shí)驗(yàn)的研究.雙U 形微磁阱由兩根U 形載流導(dǎo)線組成, 它們載流方向相反, 通過(guò)調(diào)節(jié)電流的大小可以實(shí)現(xiàn)單磁阱到雙磁阱的轉(zhuǎn)變.

圖4 多種原子傳送帶結(jié)構(gòu)[23-25]Fig.4.Multiple configurations of atom conveyor belts[23-25].

圖5 基于(a)金字塔結(jié)構(gòu)[29], (b)光柵結(jié)構(gòu)[33]的芯片微MOTFig.5.Micro-MOTs chip based on (a) micro-paramide arrays[29] and (b) gratings[33].

原子芯片上微磁阱產(chǎn)生的勢(shì)阱深度有限, 且距離芯片表面一般很近, 很難直接從真空囚禁原子,因此一般首先用磁光阱(MOT)將原子冷卻和囚禁, 然后轉(zhuǎn)移裝載至芯片微磁阱中[28].傳統(tǒng)的MOT需要3 對(duì)互相垂直的激光束, 在原子芯片上應(yīng)用需要發(fā)展新的方法, 避免芯片對(duì)激光的遮擋.H?nsch小組[3]最早提出了微型mirror-MOT 方案, 他們將U 形金載流導(dǎo)線刻蝕在氧化鋁陶瓷基底上, 用濺射技術(shù)鍍一層200 nm 厚的銀膜提高對(duì)激光的反射率, 成功將6 束激光系統(tǒng)簡(jiǎn)化為4 束激光系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了87Rb 原子的表面囚禁.后續(xù)國(guó)際上提出了一系列微型mirror-MOT 或相似的方案, 如反射鏡金字塔結(jié)構(gòu)或者光柵結(jié)構(gòu), 都實(shí)現(xiàn)了冷原子的囚禁, 比傳統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)體積降低了接近100 倍, 功耗降低了近1/10, 如圖5(a),(b)所示[29-33].最近南方科技大學(xué)聯(lián)合英國(guó)伯明翰大學(xué)等單位利用介質(zhì)超構(gòu)表面光學(xué)芯片實(shí)現(xiàn)了對(duì)原子的囚禁和冷卻, 俘獲的原子數(shù)約為107個(gè), 原子溫度約35 μK,通過(guò)進(jìn)一步的蒸發(fā)冷技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)芯片上的BEC[34].

2.2 原子芯片上的導(dǎo)引

嚴(yán)格意義上講, 原子導(dǎo)引和原子波導(dǎo)有一定區(qū)別: 原子導(dǎo)引是指原子導(dǎo)管的橫向尺寸遠(yuǎn)大于原子的波長(zhǎng), 原子在導(dǎo)管內(nèi)以粒子的形式存在, 其運(yùn)動(dòng)軌跡可用射線光學(xué)來(lái)處理; 原子波導(dǎo)是指原子導(dǎo)管的橫向尺寸約等于原子的波長(zhǎng), 原子在導(dǎo)管中以物質(zhì)波的形式存在, 屬于波動(dòng)原子光學(xué)的內(nèi)容[11].一般文獻(xiàn)中沒(méi)有對(duì)二者進(jìn)行特別區(qū)分, 本文統(tǒng)一使用原子導(dǎo)引這一表述.

圖6 (a) 側(cè)邊導(dǎo)引; (b) 共面成對(duì)同向載流的側(cè)邊導(dǎo)引; (c) 共面成對(duì)異向載流的側(cè)邊導(dǎo)引; (d)三線導(dǎo)引.圖中S 為導(dǎo)線間距Fig.6.(a) Side guide; (b) two-wire side with co-propagating currents; (c) two-wire side guide with opposing current directions;(d) three-wire guide.S is the distance between wires.

本節(jié)仍主要關(guān)注基于原子芯片上載流導(dǎo)線的磁導(dǎo)引方案.常見的磁導(dǎo)引如圖6 所示, 包括: 1) 基于單根載流導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外加偏置磁場(chǎng)的疊加, 如原子繞著載流導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)的Kepler 導(dǎo)引[1], 以及原子在二維四極場(chǎng)內(nèi)沿著磁場(chǎng)最小的方向線運(yùn)動(dòng)的側(cè)邊導(dǎo)引等[22]; 2) 基于兩條平行載流導(dǎo)線所產(chǎn)生的磁場(chǎng)與外置偏置磁場(chǎng)的疊加, 包括共面成對(duì)同向載流導(dǎo)引和共面成對(duì)異向載流導(dǎo)引[22];3) 基于多條平行導(dǎo)線產(chǎn)生的磁導(dǎo)引[35,36], 其優(yōu)勢(shì)在于可以通過(guò)載流導(dǎo)線自身產(chǎn)生偏置磁場(chǎng), 不需要外加宏觀線圈的輔助[37]; 4) 通過(guò)將平行載流導(dǎo)線彎曲成同心環(huán)或基于不同復(fù)合導(dǎo)線結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的環(huán)形導(dǎo)引, 具有閉合環(huán)路面積大、結(jié)構(gòu)對(duì)稱、能夠消除共模噪聲等優(yōu)點(diǎn).但該導(dǎo)引往往存在由于電流引線引發(fā)的導(dǎo)引缺口.針對(duì)于此，有科研人員提出了七線布局的雙層原子芯片、雙相位射頻電流或者綴飾感應(yīng)勢(shì)等結(jié)構(gòu).此外, 我國(guó)上海光機(jī)所還提出了基于垂直引線的三環(huán)線結(jié)構(gòu)以及阿基米德螺線和TOP 結(jié)合等閉合且中心無(wú)磁場(chǎng)零點(diǎn)的環(huán)形導(dǎo)引方案[38-40].2017 年, 弗吉尼亞大學(xué)Horne 等[41]基于微型片上線圈構(gòu)成的TOP 阱實(shí)驗(yàn)上獲得了BEC環(huán)形閉合回路的Sagnac 原子干涉儀, 并于2020 年成功實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)的測(cè)量, 如圖7 所示.

圖7 弗吉尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)的MOT[41]Fig.7.Magnetic trap assembly proposed by University of Virginia[41].

無(wú)論何種原子導(dǎo)引, 理想情況下都應(yīng)具備單模、光滑、無(wú)磁場(chǎng)零點(diǎn)、低噪聲和低損耗等特性.單模特性是指物質(zhì)波只占據(jù)基模, 避免物質(zhì)波耦合到其他橫模上; 光滑是指沒(méi)有勢(shì)場(chǎng)起伏從而抑制散射和色散; 無(wú)零點(diǎn)是為了避免零磁場(chǎng)點(diǎn)導(dǎo)致的原子損失; 噪聲和損耗主要來(lái)源于電流噪聲、電場(chǎng)強(qiáng)度起伏、原子自發(fā)輻射、Casimir-Polder (C-P)力和范德瓦耳斯力以及表面吸附效應(yīng)等, 會(huì)縮短原子壽命、降低信噪比, 縮短相干長(zhǎng)度和相干時(shí)間.

當(dāng)原子團(tuán)在導(dǎo)引中傳輸時(shí), 往往還需要對(duì)其進(jìn)行相干分束與合束.最簡(jiǎn)單的分束方案是將單勢(shì)阱轉(zhuǎn)變?yōu)殡p勢(shì)阱, 既可在時(shí)域中通過(guò)動(dòng)態(tài)的改變勢(shì)阱形狀來(lái)實(shí)現(xiàn), 也可以通過(guò)Y 形或X 形導(dǎo)線結(jié)構(gòu)在空間中實(shí)現(xiàn).常見的時(shí)域相干分束包括雙線平行分束[18]、五線平行分束[42]以及交叉導(dǎo)線分束等[4,43].基于雙線平行分束Shin 等[44]實(shí)現(xiàn)了對(duì)BEC 的分束, 該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 但是對(duì)電流漲落和磁場(chǎng)噪聲非常敏感.五線平行分束在實(shí)驗(yàn)上利用穩(wěn)定的電流驅(qū)動(dòng)裝置以及標(biāo)準(zhǔn)的微加工工藝很容易保證電流漲落變化小于10—4, 對(duì)于分束過(guò)程中偏置磁場(chǎng)的穩(wěn)定性要求也大大降低, 目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱原子團(tuán)的分束, 并可通過(guò)調(diào)整外置偏置磁場(chǎng)控制分束后兩個(gè)原子團(tuán)的數(shù)目.由于在分束過(guò)程中存在明顯的加熱現(xiàn)象, 因此目前還沒(méi)有基于此方案實(shí)現(xiàn)BEC 分束.交叉導(dǎo)線分束可以實(shí)現(xiàn)BEC 沿弱束縛方向(I0方向)的分束, 分束后原子團(tuán)的距離依賴于垂直于I0方向?qū)Ь€的間距, 目前已有多種交叉導(dǎo)線分束的方案[45,46].此外, Hommelhoff 等[43]提出一種類似交叉導(dǎo)線分束的方案, 他們利用兩個(gè)沿I0方向平移的U 形導(dǎo)線來(lái)代替交叉導(dǎo)線結(jié)構(gòu),通過(guò)降低I0的強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)單勢(shì)阱到雙勢(shì)阱的轉(zhuǎn)變,最大的勢(shì)阱間距約為135 μm, 每個(gè)勢(shì)阱里裝載500—1500 個(gè)原子.

空間中最常見的分束方案主要為X 形和Y 形分束.其中典型的Y 形分束結(jié)構(gòu)如圖8(a)所示,可以按任意比例把原子導(dǎo)引到兩個(gè)臂上, 但該方案導(dǎo)引效率不高、原子損失較大[47].改進(jìn)后的雙線結(jié)構(gòu)Y 形分束器如圖8(b)所示, 其輸入端包括兩根載流導(dǎo)線和一個(gè)偏置磁場(chǎng), 這種結(jié)構(gòu)對(duì)磁場(chǎng)和電流漲落非常敏感, 且依然存在原子較強(qiáng)的向后反射的問(wèn)題.圖8(c)的Y 形導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中每個(gè)臂中的電流方向相反, 輸入和輸出有完全相同的特性.除Y 形導(dǎo)引外, Cornell 小組用X 形磁波導(dǎo)分束結(jié)構(gòu)獲得了50:50 的分束比, 最大原子數(shù)通量達(dá)1.5 × 105s—1,其基本原理是利用X 形空心磁管道實(shí)現(xiàn)弱場(chǎng)搜尋態(tài)的原子導(dǎo)引的磁分束, 如圖8(d)所示[48].

僅利用靜磁阱對(duì)冷原子進(jìn)行相干分束和合束非常困難, 這是因?yàn)殡p勢(shì)阱的間距通常需要在1 μm量級(jí)才有好的隧穿和分束保真度, 但是由于芯片襯底噪聲的影響, 目前雙勢(shì)阱可以實(shí)現(xiàn)的間距與這一水平仍有較大差距.引入射頻場(chǎng)[49]和光場(chǎng)[50]能顯著提高相干分束與合束的性能, 也是目前常見的實(shí)驗(yàn)方式.Zobay 和Garraway[51]在2001 年首次將IP 阱和射頻綴飾勢(shì)相結(jié)合, 其基本原理是處于靜磁場(chǎng)中的原子會(huì)發(fā)生塞曼劈裂, 射頻場(chǎng)與劈裂后的能級(jí)之間發(fā)生強(qiáng)耦合而形成新的綴飾本征態(tài), 此時(shí)原子可以被認(rèn)為處于一個(gè)等效的綴飾勢(shì)中.射頻綴飾勢(shì)對(duì)原子團(tuán)的束縛很強(qiáng), 原子團(tuán)可以處于距離芯片表面相對(duì)較遠(yuǎn)的位置從而避免芯片表面吸附效應(yīng)和磁場(chǎng)漲落對(duì)原子團(tuán)的影響, 故而可以在較大的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)(約500 μm)上實(shí)現(xiàn)分束, 如圖9 所示[52].如果采用靜磁場(chǎng)獲得相似的分束效果, 導(dǎo)線尺寸則需要在數(shù)微米, 這無(wú)疑提高了加工的難度.另外,射頻綴飾勢(shì)還可以在實(shí)現(xiàn)光滑波導(dǎo)的同時(shí)避免磁場(chǎng)零點(diǎn).

圖8 原子芯片上的Y 形分束和X 形分束[22]Fig.8.Beam splitter for guided atoms using Y-shaped and X-shaped current carrying wires[22].

圖9 原子芯片上基于射頻場(chǎng)的雙勢(shì)阱物質(zhì)波分束[52]Fig.9.Matter-wave beam splitter by dressing RF-fields on chip[52].

基于光場(chǎng)的相干分束可以在保持原子內(nèi)態(tài)不變的情況下只改變?cè)拥耐庠趧?dòng)量狀態(tài), 最常用的方法是利用激光脈沖駐波對(duì)原子云的Raman-Nath衍射或Bragg 衍射實(shí)現(xiàn)原子外態(tài)分束.為了盡量保證分束后的兩團(tuán)原子波包的速度和布居數(shù)相等實(shí)現(xiàn)50∶50 的對(duì)稱分束, 可以采用雙頻率Bragg 駐波分束方案或者雙脈沖Raman-Nath 駐波分束[53,54].

3 原子芯片的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)

3.1 原子芯片的設(shè)計(jì)與制備工藝

如前所述, 通過(guò)靜磁場(chǎng)、靜電場(chǎng)、光場(chǎng)等方式均能對(duì)原子進(jìn)行操控.靜磁場(chǎng)原理可以分別采用載流導(dǎo)線、永磁薄膜[55]、軟磁薄膜[56]等方式實(shí)現(xiàn).其中, 永磁薄膜產(chǎn)生的磁場(chǎng)幾乎不產(chǎn)生波動(dòng), 引起的自旋反轉(zhuǎn)躍遷率幾乎為0, 但其磁場(chǎng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)固定, 很難靈活調(diào)整; 軟磁薄膜的磁場(chǎng)穩(wěn)定且強(qiáng)度可調(diào), 但其磁化容易受外場(chǎng)影響、不易控制; 用微電子工藝可在芯片表面制備出載流導(dǎo)線, 用相對(duì)較小的電流即可產(chǎn)生可觀的磁場(chǎng)梯度, 磁場(chǎng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)形貌可以通過(guò)靈活設(shè)計(jì)載流導(dǎo)線的構(gòu)型實(shí)現(xiàn), 具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì).

載流導(dǎo)線型原子芯片一般通過(guò)Z 阱、U 阱等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)原子團(tuán)的轉(zhuǎn)移, 再輔以用于蒸發(fā)冷卻的H 形或W 形導(dǎo)線結(jié)構(gòu), 根據(jù)不同應(yīng)用目的還需要設(shè)計(jì)特殊的導(dǎo)引.在設(shè)計(jì)中需要確定勢(shì)阱和導(dǎo)引距芯片表面的高度、磁阱的梯度及導(dǎo)線的載流能力等要素, 結(jié)合工藝條件進(jìn)行迭代修正, 確保芯片具備可實(shí)現(xiàn)性.以兩根平行導(dǎo)線為例, 導(dǎo)線間隙與導(dǎo)線間的電阻正相關(guān), 即導(dǎo)線間距越小其電阻越小; 但過(guò)小的導(dǎo)線間距會(huì)急劇增大剝離或刻蝕工藝的難度, 在制備過(guò)程中易產(chǎn)生缺陷導(dǎo)致短路, 故而實(shí)際中一般設(shè)定導(dǎo)線間隙和導(dǎo)線高度比大于1.

原子芯片的基底和載流導(dǎo)線材質(zhì)以及適宜的微納工藝技術(shù)是決定原子芯片實(shí)際性能的重要因素.原子芯片的基底要支撐載流導(dǎo)線、提供導(dǎo)線之間的電絕緣并進(jìn)行散熱, 因此需要具備良好的熱傳導(dǎo)性和絕緣性, 能承受大的電場(chǎng), 且在工藝上易于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高平整度的材料制備.由于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝一般采用硅晶圓, 故而(100)晶向的單晶硅是最常見的芯片基底, 其室溫下的導(dǎo)熱系數(shù)為150 W/(m·K), 厚度一般約500 μm, 經(jīng)過(guò)拋光后可獲得光滑的表面.為了確保導(dǎo)線間的良好絕緣,通常會(huì)在硅基底上采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(PECVD)或熱氧化法制備一層氧化硅(SiO2),使基片表層電阻率大于1016Ω·cm.雖然PECVD制備效率高, 但生長(zhǎng)的SiO2的表面粗糙度會(huì)高于熱氧化.由于SiO2的熱導(dǎo)率只有1.5 W/(m·K),所以SiO2通常只生長(zhǎng)數(shù)百納米[57].AlN, GaAs 等材料也是原子芯片的常用基底.盡管AlN 陶瓷室溫?zé)釋?dǎo)率高達(dá)319 W/(m·K), 但它拋光后的表面粗糙度約為40 nm, 不但很難實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量大面積制備, 且往往存在微米尺度的缺陷, 對(duì)實(shí)現(xiàn)小于10μm 的載流導(dǎo)線較為不利.單晶AlN 的表面粗糙度可以到原子級(jí), 但是成本較為昂貴.當(dāng)在原子芯片上需要構(gòu)造微MOT 時(shí), 往往還會(huì)采用透明原子芯片, 此時(shí)常采用對(duì)780 nm 激光具有高透過(guò)率的碳化硅(SiC)、SiO2或藍(lán)寶石(Al2O3)等基底.

在載流導(dǎo)線制備過(guò)程中必須考慮導(dǎo)線的實(shí)際載流能力(影響磁阱梯度)、表面平整度(影響激光反射率、電流噪音及勢(shì)阱起伏)及與基底的附著力(影響芯片在電流加載后發(fā)生熱失配時(shí)的可靠性),這些都與導(dǎo)線的材質(zhì)和制備工藝相關(guān).載流導(dǎo)線一般選用高電導(dǎo)率的Au, Cu 等金屬.Au 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易氧化但成本較高且會(huì)對(duì)Rb 原子產(chǎn)生吸附;Cu 成本相對(duì)較低且在硅通孔(TSV)工藝中已較為成熟, 但Cu 相對(duì)容易氧化, 如長(zhǎng)期暴露在氧環(huán)境下則需制備防氧化的介質(zhì)層, 此舉也有助于防止堿金屬原子污染金屬層降低其反射率, 避免導(dǎo)線之間短路.為了實(shí)現(xiàn)緊束縛的單模原子導(dǎo)引往往要提高導(dǎo)線承載的電流密度, 這通常意味著減小導(dǎo)線的線寬或者增大電流(常常需要在10—20 s 的時(shí)間內(nèi)承載幾個(gè)安培的電流), 均意味著在材料電導(dǎo)率不變的條件下電流密度增大(＞107A/cm2)[36]、熱效應(yīng)增強(qiáng), 超出了Cu 導(dǎo)線的耐受范圍[58].載流導(dǎo)線還應(yīng)具備良好的光滑性和均勻性, 以盡量減少橫向電流導(dǎo)致的磁阱起伏和冷原子團(tuán)碎片.因此,探尋大電流耐受性強(qiáng)、質(zhì)量?jī)?yōu)秀的新導(dǎo)線材料, 對(duì)實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的原子導(dǎo)引具有重要的價(jià)值.碳納米管(CNT)是一種潛在候選, 具有高達(dá)109A/cm2的載流密度(比普通金屬高2—3 個(gè)數(shù)量級(jí))和超高的熔點(diǎn)[59], 因能實(shí)現(xiàn)電子彈道輸運(yùn)所以可忽略電子散射造成的電流起伏, 有望滿足原子載流導(dǎo)線所需要具備的低噪聲和弱C-P 力等性能.以色列本古里安大學(xué)等單位較早開展了基于CNT 的導(dǎo)線型原子芯片研究, 如圖10 所示.他們實(shí)驗(yàn)展示了基于CNT 的雙層原子芯片, 提出了將超冷原子從傳統(tǒng)的磁阱轉(zhuǎn)移到CNT 阱中的理論方法, 認(rèn)為基于CNT 的原子芯片表面隧穿、熱噪聲引起的自旋翻轉(zhuǎn)以及熱效應(yīng)等勢(shì)阱損耗都得到了良好的抑制,論證了CNT 材料是一種非常有前景的原子導(dǎo)引材料[60,61].此外, Cu 的電導(dǎo)率為5.7 × 107S/m, 而CNT 的電導(dǎo)率隨手性變化, 通常在106—107S/m之間, 如果實(shí)現(xiàn)CNT 與Cu 復(fù)合材料的載流導(dǎo)線,既可獲得接近于Cu 的電導(dǎo)率, 還可以實(shí)現(xiàn)比Cu,Au 高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)的載流容量(＞108A/cm2)[62].本課題組近年來(lái)開發(fā)了CNT 紡絲陣列與Cu 復(fù)合致密材料的制備技術(shù), 單根導(dǎo)線載流能力大于107A/cm2, 并且有望繼續(xù)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上滿足緊束縛導(dǎo)引的需求[63].盡管CNT 材料展示出良好的潛力, 但目前還未真正用于芯片上原子導(dǎo)引的問(wèn)題在于: CNT 包含單壁和多壁, 既有半導(dǎo)體型又有金屬型和半金屬型, 還有不同的手性, 很難實(shí)現(xiàn)CNT材料均勻、可控的制備, 未來(lái)實(shí)用必須解決CNT沿既定方向高一致性、大面積、高可控制備這一難題.超導(dǎo)材料具有極好的導(dǎo)電性和極低的磁噪聲,且整體工作于低溫條件下使得超導(dǎo)材料附近的噪聲得到了極大抑制, 因此將其用于原子芯片提升原子壽命也得到了廣泛的關(guān)注.Hohenester 等[64]分析, 在1 μm 超導(dǎo)導(dǎo)線勢(shì)阱中冷原子壽命可達(dá)5000 s, 而相同結(jié)構(gòu)的金屬磁阱中的原子壽命則只有不到0.1 s.德國(guó)蒂賓根大學(xué)Bernon 等[65]實(shí)驗(yàn)上利用超導(dǎo)鈮金屬薄膜產(chǎn)生的微勢(shì)阱制備了3.5 ×105個(gè)BEC(350 nK), 全自旋極化態(tài)壽命大于4 min,基態(tài)相干時(shí)間可以達(dá)到8 s, 證實(shí)了超導(dǎo)體原子芯片在提升原子相干時(shí)間、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)壽命激發(fā)方面的優(yōu)勢(shì).

載流導(dǎo)線的成型工藝通常有兩種: 1) 采用厚膠光刻制備圖案, 生長(zhǎng)金屬層后剝離; 2) 優(yōu)先生長(zhǎng)金屬層, 再制備掩膜層后進(jìn)行刻蝕, 主要流程分別如圖11(a),(b)所示.其中, 載流導(dǎo)線可采用磁控濺射、電子束蒸發(fā)或電鍍沉積等方式制備.磁控濺射生長(zhǎng)的薄膜致密、平整、黏附性強(qiáng), 但速率緩慢、成本較高; 電子束蒸發(fā)的平整度較好, 但金屬層與基片黏附性較差, 與基底存在熱失配時(shí)容易脫落; 電鍍沉積雖然能快速生長(zhǎng)金屬導(dǎo)線層, 不過(guò)內(nèi)部晶體結(jié)構(gòu)不均勻, 表面粗糙, 容易氧化, 不利于制備表面平整、內(nèi)部均勻的原子芯片.

圖10 (a) 雙層CNT 原子芯片示意圖; (b) 原子力顯微鏡(AFM)下CNT 及其與Z 形導(dǎo)線的接觸[61]Fig.10.(a) Schematic representation of the two layer CNT atom chip; (b) atomic force microscope image of a CNT fabricated and contacted for use as a Z-shaped wire trap[61].

圖11 原子芯片上載流導(dǎo)線的制備方法 (a) 剝離法; (b) 刻蝕法Fig.11.Fabrication methods of the on-chip current-carrying wires: (a) Stripping method; (b) etching method.

量子信息處理等應(yīng)用往往需要原子芯片具有復(fù)雜的線型, 多層芯片可以避免單層芯片中的導(dǎo)線交叉, 勢(shì)阱的設(shè)計(jì)也具有更大的靈活性.制備多層原子芯片最簡(jiǎn)單的方法是將兩個(gè)(或多個(gè))單層芯片粘接在一起, 每個(gè)芯片工藝完全獨(dú)立, 一旦出現(xiàn)問(wèn)題可以單獨(dú)置換某一芯片, 避免整體芯片的重新加工.德國(guó)Günther 等[66]在250 μm 厚的基底上利用激光刻出直徑約為400 μm 的過(guò)孔并在其中鍍金, 首先實(shí)現(xiàn)了兩層原子芯片疊加互連.該方法雖然簡(jiǎn)單, 但當(dāng)芯片之間的距離相對(duì)較大或者導(dǎo)線布局較復(fù)雜時(shí), 很難實(shí)現(xiàn)不同層上微結(jié)構(gòu)的精確對(duì)準(zhǔn).后續(xù)微納加工工藝不斷發(fā)展，涌現(xiàn)出厚膜混合技術(shù)、紫外光刻與電子束曝光結(jié)合等更適宜制備多層芯片的工藝方法.

原子芯片制備完成后需要與真空腔體進(jìn)行封裝, 實(shí)現(xiàn)其在超高真空環(huán)境下的工作.超高真空封裝主要通過(guò)如下途徑實(shí)現(xiàn): 1) 傳統(tǒng)的超高真空封裝方式, 即采用真空法蘭通過(guò)電極將電流接入原子芯片, 這種方式穩(wěn)定性較高, 但空間體積占用較大;2) 超高真空膠黏接的封裝方式, 即直接將芯片與玻璃池黏合在一起.由于真空膠的絕緣特性, 芯片電極可以由芯片上表面邊緣引出, 氣密性可達(dá)3.3 ×10—11Pa·m3/s, 不過(guò)該方式存在有機(jī)膠體易老化的缺點(diǎn); 3) 陽(yáng)極鍵合的封裝方式, 即通過(guò)對(duì)玻璃池與芯片施加高電壓與力壓強(qiáng), 誘發(fā)玻璃池與芯片之間成鍵, 實(shí)現(xiàn)芯片與玻璃池的封接.該技術(shù)封接強(qiáng)度高、重復(fù)性好、氣密性高, 特別適用于采用TSV技術(shù)制備的原子芯片, 但存在工藝復(fù)雜、條件要求嚴(yán)格, 生產(chǎn)效率低、可能會(huì)出現(xiàn)開裂或自動(dòng)脫落、不適宜用于較長(zhǎng)尺寸玻璃池等問(wèn)題[67]; 4) 低溫玻璃焊料封接的方式.相較陽(yáng)極鍵合方式, 此方法工藝簡(jiǎn)單、封接強(qiáng)度高、密封效果好.本課題組利用軟鉛焊鍵合的芯片與玻璃池樣品氣密性達(dá)8.5 × 10—13Pa·m3/s, 真空規(guī)測(cè)試的真空度可達(dá)2.18 × 10—8Pa, 焊縫厚度可控制在50 μm 以內(nèi),連接強(qiáng)度大于20 MPa.圖12(a)—(d)是采用不同封接工藝實(shí)現(xiàn)的原子芯片超高真空封裝, 除圖12(c)外均由本課題組與中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所共同完成[68].

3.2 原子芯片的測(cè)試

原子芯片的測(cè)試主要包括兩大類.

1) 基礎(chǔ)特性測(cè)試: 包括原子芯片的基本形貌與粗糙度、導(dǎo)線的電阻、導(dǎo)線間電阻、導(dǎo)線載流能力、芯片表面反射率等.這些測(cè)試可以分別通過(guò)電子顯微鏡、AFM、電流電壓源以及角分辨光譜儀等常規(guī)設(shè)備完成.

圖12 基于不同封裝工藝的原子芯片 (a) 針對(duì)傳統(tǒng)真空法蘭電極接口的芯片封裝形式; (b) 超高真空膠; (c) 陽(yáng)極鍵合[67]; (d) 軟釬焊Fig.12.Atom chips based on different packaging processes:(a)Traditional vacuum package; (b) ultra-high vacuum adhesive; (c) anode adhesive[67]; (d) soft soldering.

2) 磁阱結(jié)構(gòu)測(cè)試: 用于驗(yàn)證接入電流時(shí)芯片的表面磁場(chǎng)特性并主要關(guān)注兩個(gè)參數(shù), 即空間分辨率和磁場(chǎng)靈敏度.目前, 能對(duì)空間磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量的有磁強(qiáng)計(jì)、超導(dǎo)量子干涉設(shè)備(SQUID)、掃描磁力探針顯微鏡(MFM)、低溫強(qiáng)磁場(chǎng)掃描霍爾顯微鏡(SHPM)和掃描磁阻顯微鏡(SMM)等方法.SQUID 的場(chǎng)靈敏度最高, 噪聲水平可低至幾fT/Hz1/2, 然而其空間分辨率大概在50—100 μm,難以分析十幾微米導(dǎo)線的磁場(chǎng)分布[69]; MFM 可以對(duì)空間分辨率在十幾納米的磁場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試, 但場(chǎng)靈敏度較低[70], 并且很難對(duì)磁場(chǎng)的強(qiáng)度進(jìn)行定量測(cè)量; SHPM基于霍爾效應(yīng), 能定量地對(duì)空間中的磁場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行掃描反映芯片在空間中的磁場(chǎng)分布, 目前最好的空間分辨率可達(dá)兩百多納米; SMM 基于磁隧道結(jié)技術(shù), 是一種相對(duì)簡(jiǎn)便、成本較低的方法, 空間分辨率可到25 μm, 噪聲在1 kHz 的時(shí)候大概為100 nT/Hz1/2, 且可以在室溫下使用[71].Quantum Design 公司近期將低溫共聚焦顯微鏡和低溫AFM結(jié)合, 實(shí)現(xiàn)了光探測(cè)磁共振成像系統(tǒng), 可同時(shí)達(dá)到納米級(jí)空間分辨率和3 nT 的磁場(chǎng)測(cè)試精度(100 s積分時(shí)間), 并已經(jīng)用于原子芯片的磁場(chǎng)測(cè)試中.盡管如此, 最便捷的方法仍然是直接在芯片上加載冷原子進(jìn)行成像反演, 可以實(shí)現(xiàn)納特(nT)精度、幾個(gè)微米的空間分辨率, 能夠滿足大多數(shù)情況下的測(cè)試要求[72].

針對(duì)原子芯片上微勢(shì)阱中囚禁的原子團(tuán)的數(shù)目、溫度、密度等性質(zhì)的測(cè)試, 可采用熒光成像或吸收成像的方法探測(cè)[73].熒光成像法收集角有限,測(cè)量的信號(hào)較弱, 因此需要設(shè)計(jì)高信噪比、高放大倍數(shù)、低噪聲的電流電壓轉(zhuǎn)換電路; 吸收成像主要是測(cè)試探測(cè)光方向上的光功率變化, 具有很高的信噪比, 但對(duì)探測(cè)光的功率與頻率穩(wěn)定性同樣有很高的要求.

3.3 原子芯片上冷原子的操控

在原子芯片上加載冷原子進(jìn)行操控的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一般包括如下部分.

1) 超高真空系統(tǒng).用于產(chǎn)生原子氣體并提供冷原子實(shí)驗(yàn)的超高真空環(huán)境, 一般可以分為單腔系統(tǒng)與雙腔系統(tǒng).單腔系統(tǒng)不涉及原子團(tuán)的轉(zhuǎn)移, 結(jié)構(gòu)相對(duì)雙腔系統(tǒng)簡(jiǎn)單; 雙腔系統(tǒng)則是在一個(gè)腔體內(nèi)對(duì)原子進(jìn)行抓取后推送至下一個(gè)腔室, 既能俘獲足夠數(shù)量的原子又能保持優(yōu)秀的真空度.

2) 磁場(chǎng)系統(tǒng).由多個(gè)線圈組成, 主要用于屏蔽地磁場(chǎng)并產(chǎn)生二維磁光阱、三維磁光阱、偏置場(chǎng)所需的磁場(chǎng), 同時(shí)也對(duì)真空腔中的原子團(tuán)進(jìn)行轉(zhuǎn)移.

3) 光學(xué)系統(tǒng).用于對(duì)激光進(jìn)行移頻、強(qiáng)弱調(diào)整、偏振調(diào)整后制備冷原子并提供冷原子實(shí)驗(yàn)及成像, 包括3D cooling, 2D cooling, Pushing, Pumping,Imaging, Repumping 等光路, 以及后期的原子分束與合束光路.

4) 時(shí)序控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).用于控制各個(gè)系統(tǒng)在時(shí)間上的協(xié)同工作, 如整體控制光路的開啟與關(guān)閉、磁場(chǎng)線圈的開啟與關(guān)閉、芯片上導(dǎo)線的導(dǎo)通與斷開、相機(jī)的數(shù)據(jù)采集時(shí)間等, 最后實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的收集與處理.

以基于冷原子干涉的原子芯片陀螺儀為例, 其工作流程如圖13 所示.首先是利用激光冷卻制備超冷原子云.通過(guò)二維磁光阱、光抽運(yùn)、三維磁光阱完成原子的初態(tài)制備后, 采用轉(zhuǎn)移線圈將制備的冷原子團(tuán)向芯片轉(zhuǎn)移, 并利用mirror-MOT 在芯片上對(duì)原子團(tuán)進(jìn)行抓取, 逐級(jí)完成冷原子向U 阱、Z 阱的轉(zhuǎn)移, 進(jìn)一步完成原子的蒸發(fā)冷卻后將原子加載到用于實(shí)現(xiàn)冷原子干涉的波導(dǎo)中.在波導(dǎo)中完成相干分束、傳播和相干合束, 旋轉(zhuǎn)信息通過(guò)測(cè)量相干合束后各動(dòng)量態(tài)上的布居獲得.原子的蒸發(fā)冷卻也可以在自由空間中完成后向芯片轉(zhuǎn)移, 這樣可以降低芯片的復(fù)雜度與實(shí)驗(yàn)難度, 但自由空間用于蒸發(fā)冷卻的線圈的功耗與體積都較大, 還需要配備水冷, 因此可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求選擇具體方案.

圖13 基于冷原子干涉的原子芯片陀螺儀基本流程Fig.13.Basic process of gyroscope based on cold atom interference on chip.

上述過(guò)程面臨著一系列挑戰(zhàn)性科學(xué)技術(shù)難題亟待解決, 比如冷原子的高通量制備應(yīng)滿足冷原子數(shù)量多和制備時(shí)間短兩個(gè)要求, 而目前國(guó)際上BEC 的制備時(shí)間最快只有幾個(gè)赫茲, 原子數(shù)量約為105個(gè), 距離預(yù)期仍有較大差距.將冷原子云轉(zhuǎn)移到原子芯片上還涉及原子裝載的效率問(wèn)題, 受限于模式匹配問(wèn)題目前的裝載效率僅有約50%.此外, 冷原子在導(dǎo)引中運(yùn)動(dòng)時(shí), 還需要克服原子數(shù)損失、熱噪聲、退相干等不利因素.其中, 原子數(shù)的損失主要由原子之間的碰撞、勢(shì)阱的變化、勢(shì)阱的噪聲等因素引發(fā); 原子的加熱主要指冷原子由于芯片的熱噪聲、電流噪音等的激發(fā)造成的溫度上升[17];退相干則是存在于所有的量子體系, 也是橫亙于冷原子高性能實(shí)驗(yàn)全過(guò)程的關(guān)鍵問(wèn)題, 是反映所制備的原子團(tuán)狀態(tài)和芯片質(zhì)量的綜合指標(biāo), 也是衡量是否能觀測(cè)到原子干涉現(xiàn)象的直接因素.原子芯片的典型退相干機(jī)制包括[22]: 與冷原子云自身的碰撞散射; 冷原子與原子芯片之間的相互作用; 原子導(dǎo)引自身的不完美; 外界環(huán)境或外界操縱激光的耦合等.這些退相干機(jī)制大多并非單獨(dú)起作用, 往往減弱了其中一種的同時(shí)可能會(huì)增強(qiáng)其他退相干機(jī)制.因此, 原子芯片上退相干的有效抑制是需要不斷深入研究的關(guān)鍵問(wèn)題.

3.4 集成原子芯片

原子芯片自問(wèn)世起, 科研人員的愿景一直是將其打造為高穩(wěn)定、高精度、集成化的小型原子研究平臺(tái), 并應(yīng)用于各類精密傳感與測(cè)量等場(chǎng)景.因此, 只有將載流導(dǎo)線等表面微結(jié)構(gòu)與不同材料體系的光子/電子微納器件混合集成, 才可能實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大的集成原子芯片或者原子微系統(tǒng).2000 年,Folman等[74,75]制作了第一塊集成原子芯片雛形,集成了微MOT、微磁阱和表面磁導(dǎo)線, 實(shí)現(xiàn)了中性原子的磁光囚禁、冷卻、裝載與導(dǎo)引.隨后一系列將磁或者光產(chǎn)生的微阱與導(dǎo)引等集成實(shí)現(xiàn)磁光混合型或者全光型原子芯片的工作見諸報(bào)端.除在同一基底上多種微結(jié)構(gòu)的集成外, 采用wire-bonding或者TSV 等工藝將不同功能層進(jìn)行芯片間集成的技術(shù)也得到了快速發(fā)展.如美國(guó)Honeywell 和美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)實(shí)現(xiàn)了將激光器、反射鏡、微真空腔、探測(cè)器等混合集成的芯片級(jí)原子鐘, 如圖14 所示[76].基于相似的技術(shù)途徑他們還實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)磁力計(jì).

近年, 以色列本古里安大學(xué)提出了高度集成化的原子芯片量子陀螺儀構(gòu)想(理念來(lái)源于南安普頓大學(xué)Freegarde 團(tuán)隊(duì)), 如圖15 所示.在深刻蝕的基底上集成了微真空系統(tǒng)、微原子源、微真空泵和閥門、單束激光反射式微MOT、微光源、光耦合器、波導(dǎo)和光電探測(cè)器等, 具備了傳統(tǒng)大型原子系統(tǒng)的所有功能, 且體積只有20 mm × 24 mm ×5 mm[77].實(shí)現(xiàn)這一構(gòu)想的技術(shù)挑戰(zhàn)主要來(lái)源于幾方面: 一是光學(xué)元件和真空系統(tǒng)的小型化、集成化;二是在同一基底上的異質(zhì)集成及混合集成; 三是根據(jù)不同的應(yīng)用, 設(shè)計(jì)具有不同功能、不同技術(shù)兼容的集成原子芯片架構(gòu).這些問(wèn)題的解決需要材料、原子物理器件、原子光學(xué)等多層次、多學(xué)科技術(shù)相互促進(jìn)、共同發(fā)展, 才能實(shí)現(xiàn)芯片上光子-電子-原子的深度耦合.美國(guó)等國(guó)家和地區(qū)也確實(shí)在沿襲此思路推動(dòng)相關(guān)工作, 如NIST 提出了芯片級(jí)集成化的冷原子片上實(shí)驗(yàn)室(NIST-on-a-chip), 并正在逐個(gè)解決集成原子芯片中的關(guān)鍵使能技術(shù), 本文在4.1 節(jié)還會(huì)對(duì)此進(jìn)行介紹.

4 原子芯片的主要進(jìn)展

4.1 各國(guó)有關(guān)原子芯片技術(shù)的計(jì)劃與項(xiàng)目

由于原子芯片滿足體積(size)、重量(weight)、功耗(power)和成本(cost), 即SWAP-C 的苛刻要求, 在授時(shí)、定位、導(dǎo)航等領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特優(yōu)勢(shì),因而近年來(lái)各國(guó)與冷原子或量子相關(guān)的研究計(jì)劃幾乎都包含了原子芯片相關(guān)技術(shù).

圖14 Honeywell 提出的水平方向集成的芯片級(jí)原子鐘方案 (a) 原子物理集成部分; (b) 蒸汽室與光路的集成[76]Fig.14.Horizontally integrated design for a chip-scale atomic clock physics package: (a) Schematic of physics package and (b) photograph of vapor cell integrated into optical path[76].

圖15 高度集成化的原子芯片量子陀螺儀構(gòu)想[77]Fig.15.Futuristic visions of highly integrated atom chips for quantum gyroscope[77].

美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA)于2001 年啟動(dòng)芯片級(jí)原子鐘(chip-scale atomic chips,CSAC)研究, 開辟了將芯片微加工與冷原子授時(shí)相結(jié)合的技術(shù)途徑.2010 年啟動(dòng)著名的微型定位導(dǎo)航授時(shí)計(jì)劃(micro-technology for positioning,navigation, and timing, Micro-PNT), 主要開發(fā)自主的芯片級(jí)慣性導(dǎo)航和精確制導(dǎo)技術(shù), 對(duì)美國(guó)發(fā)展微型化原子技術(shù)起到巨大的推動(dòng)作用, 時(shí)至今日仍在運(yùn)行.Micro-PNT 包含5 個(gè)項(xiàng)目, 最重要的部分為芯片級(jí)組合原子導(dǎo)航儀項(xiàng)目(chip-scale combinatorial atomic navigator, C-SCAN), 研究高性能原子慣性傳感器的小型化制造、算法和協(xié)同架構(gòu),包括核磁共振陀螺儀和原子干涉的Sagnac 效應(yīng)陀螺儀兩種方案, 最終目標(biāo)是將原子和固態(tài)慣性傳感器集成在一個(gè)體積不超過(guò)20 cm3、功耗不超過(guò)1 W 的微系統(tǒng)中, 轉(zhuǎn)動(dòng)精度達(dá)到10—4(°)/h, 線性加速度精度達(dá)到10—6g, 如圖16 所示[78].

C-SCAN 的指標(biāo)在實(shí)驗(yàn)室中已得到了驗(yàn)證, 但其進(jìn)一步實(shí)用需要小型化、集成化的激光器、光學(xué)系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等協(xié)同發(fā)展.因此2015 年DARPA-在Micro-PNT 計(jì)劃中增加冷原子微系統(tǒng)項(xiàng)目(cold atom microsystems, CAMS), 主要解決低SWAPC 的原子鐘、原子物質(zhì)波導(dǎo)陀螺儀和加速計(jì)所需要的高效窄線寬激光源、高效光學(xué)調(diào)制器、微型高隔離光學(xué)開關(guān)、緊湊型低損耗光學(xué)隔離器、微電子系統(tǒng)、微型超高真空室和真空泵等關(guān)鍵技術(shù).2018 年DARPA 進(jìn)一步啟動(dòng)原子-光子集成計(jì)劃(atomicphotonic integration, A-PHI), 致力于發(fā)展緊湊型光子集成技術(shù)逐步代替空間光學(xué)系統(tǒng), 一方面滿足高性能芯片原子干涉陀螺儀和原子鐘的使用需求,另一方面為實(shí)現(xiàn)功能齊全、性能優(yōu)越的便攜化導(dǎo)航授時(shí)傳感系統(tǒng)奠定基礎(chǔ), 如圖17 所示.2020 年底前A-PHI 計(jì)劃實(shí)現(xiàn)原子囚禁與冷卻的光子集成芯片, 并且與冷原子鐘的架構(gòu)兼容.

美國(guó)NIST 近年來(lái)提出了芯片級(jí)原子器件項(xiàng)目(chip-scale atomic device program, CSADP),目標(biāo)是開發(fā)芯片級(jí)的時(shí)鐘、磁力計(jì)、干涉儀、陀螺儀等, 實(shí)現(xiàn)時(shí)間、頻率、距離、質(zhì)量和力、溫度和壓力、電場(chǎng)和磁場(chǎng)、電流和電壓、流體體積和流量等的精密測(cè)量, 最終構(gòu)筑Nist-on-a-chip, 實(shí)現(xiàn)精確的芯片級(jí)的量子測(cè)量技術(shù)[76].美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室(AFRL)和美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)等機(jī)構(gòu)在最近十余年也對(duì)面向傳感的原子芯片技術(shù)持續(xù)投入, 集合了全美超過(guò)50 家知名大學(xué)、研究所和公司參與, 具備了非常雄厚的技術(shù)積累.

圖16 C-SCAN 的概念圖[78]Fig.16.Schematic scheme of C-SCAN[78].

圖17 美國(guó)DARPA 的A-PHI 計(jì)劃框架Fig.17.Framework of A-PHI of DARPA.

歐洲對(duì)原子芯片技術(shù)也非常重視.2014 年法國(guó)國(guó)家研究署啟動(dòng)了原子芯片慣性傳感項(xiàng)目(OnACIS), 旨在利用原子芯片實(shí)現(xiàn)超高精度的磁導(dǎo)引型原子干涉陀螺儀, 重點(diǎn)解決原子芯片分束結(jié)構(gòu)、原子芯片基底、原子芯片干涉中的退相干問(wèn)題等.同年英國(guó)國(guó)防部設(shè)置量子羅盤項(xiàng)目(quantum compass),主要研究量子導(dǎo)航和重力成像儀, 核心目標(biāo)包括將上述系統(tǒng)進(jìn)行芯片集成與制造.2015 年英國(guó)發(fā)布的《A roadmap for quantum technologies in the UK》也包含原子芯片的內(nèi)容, 并認(rèn)為基于芯片的冷原子傳感在10—15 年內(nèi)會(huì)逐步成熟.近期, 英國(guó)量子技術(shù)中心(UK Quantum Technology Hub)發(fā)布了系列計(jì)劃, 將半導(dǎo)體材料、量子器件技術(shù)、原子芯片架構(gòu)與制造技術(shù)結(jié)合, 研發(fā)出用于旋轉(zhuǎn)傳感和磁力測(cè)量的緊湊、低噪聲、超真空兼容的原子芯片.除此, 2016 年歐盟提出量子宣言計(jì)劃(Quantum-Manifesto), 計(jì)劃利用15 年左右開發(fā)可集成在手機(jī)等內(nèi)部的芯片上量子傳感器設(shè)備.

我國(guó)20 多年前就開始從事原子芯片研究, 近些年在量子技術(shù)方面有較大投入, 部分研究計(jì)劃涉及了芯片級(jí)原子鐘、原子芯片陀螺儀等.自中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所率先實(shí)現(xiàn)芯片上的BEC 后, 中國(guó)科學(xué)院武漢物理與數(shù)學(xué)研究所等單位相繼實(shí)現(xiàn)了芯片上BEC 的制備和不同結(jié)構(gòu)的中性原子的磁導(dǎo)引等[17,79], 提出了利用倏逝波和表面等離子體勢(shì)來(lái)囚禁原子的全光原子芯片方案、數(shù)字原子芯片方案、激光誘導(dǎo)虛擬磁場(chǎng)阱及陣列方案和原子芯片上冷原子系綜量子邏輯門方案等[80].但相較國(guó)外, 我國(guó)專項(xiàng)重點(diǎn)支持原子芯片的研究計(jì)劃仍然相對(duì)較少, 對(duì)原子芯片的基礎(chǔ)研究與應(yīng)用進(jìn)行體系化的整體布局仍然較為欠缺.

4.2 原子芯片的應(yīng)用

近年來(lái), 基于原子芯片或芯片級(jí)加工與集成技術(shù)的冷原子鐘、陀螺儀、加速度計(jì)、重力儀、磁力計(jì)等精密測(cè)量與傳感器獲得了廣泛的關(guān)注并逐步走出實(shí)驗(yàn)室, 在高精密授時(shí)、慣性導(dǎo)航、重力測(cè)繪、腦探測(cè)等領(lǐng)域得到應(yīng)用并且展現(xiàn)了優(yōu)秀的性能, 如表1 所示.此外, 原子芯片可以提供低維量子氣體、腔量子電動(dòng)力學(xué)、原子-表面相互作用等基礎(chǔ)研究的微納化平臺(tái), 被稱為“微芯片上的量子實(shí)驗(yàn)室”, 在基礎(chǔ)物理研究也有不可忽視的潛力.其中,芯片級(jí)原子鐘、芯片級(jí)原子磁力計(jì)等應(yīng)用的核心技術(shù)是小型化的原子氣室、單模激光器、探測(cè)器、光學(xué)元器件及其集成技術(shù), 本文不對(duì)此做詳細(xì)闡述.

1) 冷原子干涉陀螺儀

利用原子德布羅意波干涉效應(yīng)可以測(cè)量萬(wàn)有引力常數(shù)、旋轉(zhuǎn)角速度、加速度、重力場(chǎng)梯度等, 是量子傳感與精密測(cè)量領(lǐng)域的重要手段.特別是基于Sagnac 效應(yīng)的冷原子干涉陀螺儀具有超高的測(cè)量精度(理論精度可達(dá)10—12(°)/h)、靈敏度和分辨率, 對(duì)于實(shí)現(xiàn)不依賴衛(wèi)星等外部條件定位的全自主慣性導(dǎo)航具有重大意義.相對(duì)于國(guó)內(nèi)外已有較多研究報(bào)道的自由空間冷原子干涉陀螺儀, 基于原子芯片的導(dǎo)引型冷原子干涉陀螺儀在大大減小體積重量的同時(shí)還能縮短冷原子的制備時(shí)間, 利用光場(chǎng)或磁場(chǎng)與原子的相互作用力抵消原子重力影響, 在導(dǎo)引過(guò)程中原子云不容易發(fā)生擴(kuò)散, 具有魯棒性好、超高精度、可小型化、可集成化、功耗低、重量輕和抗干擾等優(yōu)點(diǎn).

目前國(guó)際上有多家科研團(tuán)隊(duì)在開展原子芯片上的冷原子干涉技術(shù), 并致力于將其用于旋轉(zhuǎn)信息測(cè)量中.2005 年, 美國(guó)科羅拉多大學(xué)Wang 等[54]最早實(shí)現(xiàn)了芯片級(jí)冷原子邁克耳孫干涉儀, 他們利用波矢沿著磁波導(dǎo)方向的駐波光場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了芯片上的BEC 分束、反射與合束, 并通過(guò)磁場(chǎng)梯度與BEC初始速度在干涉儀兩路之間引入相移差異調(diào)節(jié)干涉, 在原子傳播10 ms 后仍能觀察到20%的干涉對(duì)比度.同年, 美國(guó)麻省理工大學(xué)Shin 等[44]在原子芯片上通過(guò)使勢(shì)阱沿緊束縛方向變形成純磁雙阱勢(shì)實(shí)現(xiàn)了Na 原子BEC 的分束, 從而也觀察到了BEC 干涉.德國(guó)海德堡大學(xué)Schumm 等[81]結(jié)合靜磁阱及射頻誘導(dǎo)的絕熱雙阱勢(shì)也在原子芯片上實(shí)現(xiàn)了BEC 分束與物質(zhì)波干涉.2006 年麻省理工大學(xué)Jo 等[82]在芯片上射頻誘導(dǎo)的雙阱勢(shì)中測(cè)量了兩束23Na BEC 的相對(duì)相位, 并通過(guò)分束過(guò)程中的排斥相互作用將相對(duì)原子數(shù)起伏壓縮到比經(jīng)典泊松分布小10 倍, 實(shí)現(xiàn)了10 倍于相位擴(kuò)散時(shí)間的相位相干時(shí)間增強(qiáng), 進(jìn)而初步獲得了可用于旋轉(zhuǎn)角速度測(cè)量的等效閉合回路.隨后哈佛大學(xué)Wu等[83]利用運(yùn)動(dòng)的直線型宏觀磁導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)了等效“8”字形的閉合回路冷原子干涉儀, 環(huán)路面積0.2 mm2.該團(tuán)隊(duì)預(yù)計(jì)改進(jìn)后在厘米級(jí)的干涉器件上能實(shí)現(xiàn)每秒回路面積達(dá)1000 mm2, 轉(zhuǎn)動(dòng)角速度測(cè)量靈敏度達(dá)到1 × 10—9rad/(s·Hz1/2), 如圖18所示.2009 年, 美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)Burke 等[84]提出基于線性磁阱波導(dǎo)的二維Sagnac 效應(yīng)干涉儀,通過(guò)移動(dòng)線性磁阱中心來(lái)誘導(dǎo)原子沿一個(gè)方向振蕩, 實(shí)現(xiàn)了等效面積0.05 mm2的閉合回路, 閉合回路面積可進(jìn)一步擴(kuò)展, 但受到初始速率波動(dòng)、勢(shì)阱形貌等因素限制, 未能實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)角速度測(cè)試.2012 年華南師范大學(xué)Yan 等[85]提出一種利用對(duì)稱態(tài)依賴的微波電勢(shì)的芯片上導(dǎo)引型原子陀螺儀理論方案, 在磁導(dǎo)引的自由傳播方向上對(duì)內(nèi)態(tài)不同的原子進(jìn)行分離和復(fù)合, 并隨磁導(dǎo)引的來(lái)回移動(dòng)沿另一個(gè)方向平移原子, 有望實(shí)現(xiàn)大面積閉合回路的芯片級(jí)原子陀螺儀.2013 年, 德國(guó)Muntinga 等[86]在微重力環(huán)境下, 利用“π/2-π-π/2”型Bragg 激光脈沖作用于原子芯片微磁阱中下落的BEC 上, 實(shí)現(xiàn)了原子芯片上的Mach-Zehnder 干涉儀.最新報(bào)道他們已經(jīng)研制了小型化裝置, 估計(jì)每1.6 s 可以產(chǎn)生4 × 105束流的BEC, 微重力環(huán)境下l Hz 帶寬可產(chǎn)生l × 105的BEC 原子, 改進(jìn)真空系統(tǒng)后有望將帶寬提升到10 Hz[87].2017 年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校Wu 等[88]報(bào)道了基于金字塔型單激光微MOT(25.4 mm × 25.4 mm × 25.4 mm)的多軸光脈沖原子干涉儀, 利用原子與光相互作用產(chǎn)生的反沖動(dòng)量實(shí)現(xiàn)物質(zhì)波的相干分束與合束, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)加速度測(cè)量精度6 μm/(s2·Hz1/2)、轉(zhuǎn)動(dòng)角速度測(cè)量靈敏度300 μrad/(s·Hz1/2)、傾角測(cè)量精度4 μrad/Hz1/2的綜合指標(biāo).2020 年, 美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)Moan 等[89]在TOP 阱中操控分束后的BEC(分束前冷原子數(shù)目大概104個(gè), 溫度約為100 nK), 使其在柱對(duì)稱環(huán)形導(dǎo)引中以相反的方向勻速閉合運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生Sagnac 干涉, 環(huán)路面積約為0.5 mm2.通過(guò)使用同步反向旋轉(zhuǎn)干涉儀有效地抑制共模噪聲, 首次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在環(huán)形閉合導(dǎo)引上利用干涉相位的變化對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)信息的響應(yīng), 干涉可見度達(dá)到50%, 旋轉(zhuǎn)測(cè)量靈敏度達(dá)到8 × 10—5rad/s,接近地球自轉(zhuǎn)水平, 如圖19 所示.作者認(rèn)為采用該方案有效閉合面積可以擴(kuò)展到1 cm2以上, 對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角速度的測(cè)量精度預(yù)計(jì)可達(dá)10—7rad/(s·Hz1/2)的水平, 有助于推動(dòng)可實(shí)用的芯片導(dǎo)引的原子陀螺儀發(fā)展.

表1 基于原子芯片的部分應(yīng)用Table 1.Applications based on atom chips.

圖18 哈佛大學(xué)提出的直線形宏觀磁導(dǎo)引等效“8”字形的閉合回路冷原子干涉陀螺儀[83]Fig.18.Schematic of a moving-guide with a ‘folded figure 8’ configuration for creating an atom gyroscope with multiple-turn interfering paths by Harvard University[83].

圖19 美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)基于芯片上閉合環(huán)形原子波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)BEC 干涉與轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量[89]Fig.19.The rotational information experimental results of BEC atomic interferometry based on Sagnac effects by University of Virginia[89].

盡管弗吉尼亞大學(xué)實(shí)現(xiàn)了環(huán)形閉合磁導(dǎo)引BEC 干涉儀及其對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的測(cè)試是里程碑式的成果,但該實(shí)驗(yàn)采用6 個(gè)微環(huán)形磁線圈, 其構(gòu)成的柱對(duì)稱環(huán)形磁導(dǎo)引勢(shì)阱產(chǎn)生的束縛較弱, 原子數(shù)目較少,靈敏度不高, 導(dǎo)引中的BEC 原子間的碰撞散射問(wèn)題一定程度上被弱化.實(shí)際應(yīng)用中對(duì)冷原子干涉陀螺儀的靈敏度要求往往非常高, 面臨的環(huán)境干擾也較為惡劣, 這就需要將更多原子囚禁到芯片表面的緊束縛勢(shì)阱中, 此時(shí)大密度冷原子團(tuán)內(nèi)原子間相互作用產(chǎn)生的退相干效應(yīng)是不可忽視的.此外, 除了在環(huán)形導(dǎo)引芯片實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的原子干涉與轉(zhuǎn)動(dòng)測(cè)量本身難度就很大之外, 冷原子干涉陀螺儀往往存在帶寬和動(dòng)態(tài)范圍小的缺點(diǎn), 還需要通過(guò)發(fā)展新的原理方案或與其他傳統(tǒng)陀螺儀復(fù)合的技術(shù)方案解決[90].

2) 冷原子干涉重力儀

原子芯片上冷原子干涉的另一個(gè)重要應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)重力儀.2016 年德國(guó)漢諾威大學(xué)的Abend等[91]報(bào)道了基于原子芯片的BEC 噴泉式重力儀,如圖20 所示.他們利用原子芯片來(lái)進(jìn)行BEC 態(tài)制備并將其作為反射鏡形成脈沖晶格來(lái)驅(qū)動(dòng)布洛赫振蕩與雙布喇格衍射從而形成馬赫-曾德干涉儀,最終在芯片表面1 cm3空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了精度達(dá)到亞μGal (1 μGal = 10 nm/s2)的重力測(cè)量, 為高精度絕對(duì)重力測(cè)量提供了小型化的技術(shù)途徑.2019 年,加州大學(xué)伯克利分校的Wu 等[92]利用中心含通孔的金字塔形MOT 將原子冷卻到約2 μK, 使銫原子團(tuán)沿MOT 中心通孔自由下落到熒光探測(cè)區(qū)后再被反射從而構(gòu)成馬赫-曾德干涉儀, 實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)式原子干涉重力儀, 靈敏度達(dá)到37 μGal/Hz—1/2、長(zhǎng)期穩(wěn)定性2 μGal.他們用這套系統(tǒng)揭示了海洋潮汐載荷效應(yīng)、記錄了數(shù)次遠(yuǎn)距離的地震, 并以大約0.04 mGal 的不確定度現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量了伯克利山的重力以及地下巖石的密度.

3) 量子信息處理、計(jì)算與模擬相關(guān)應(yīng)用

圖20 基于原子芯片的噴泉式重力儀[91]Fig.20.Atom-chip fountain gravimeter[91].

原子芯片為原子光學(xué)與量子信息處理、量子計(jì)算與量子模擬相結(jié)合提供了發(fā)展契機(jī).2002 年, 德國(guó)海德堡大學(xué)Schmiedmayer 等[93]報(bào)道了基于原子芯片的中性原子量子信息處理方案: 芯片上的交叉導(dǎo)線在偏置場(chǎng)作用下形成靜磁阱, 通過(guò)調(diào)節(jié)電流、磁場(chǎng)相關(guān)參數(shù)可以控制每個(gè)阱中裝載的原子數(shù)目, 對(duì)這些原子態(tài)進(jìn)行量子編碼就可以實(shí)現(xiàn)量子計(jì)算, 這是在芯片上實(shí)現(xiàn)的第一個(gè)量子計(jì)算方案.2007 年, 帝國(guó)理工學(xué)院Trupke 等[94]報(bào)道了基于原子芯片和光學(xué)微腔集成的單原子量子計(jì)算方案,并從理論上指出可以通過(guò)測(cè)量從光學(xué)微腔泄漏的光子來(lái)實(shí)現(xiàn)原子間的糾纏, 從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單且兼具高魯棒性的量子計(jì)算.2012 年, 普林斯頓大學(xué)Houck等[95]對(duì)基于芯片級(jí)超導(dǎo)回路的量子模擬理論與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行綜述, 并報(bào)道了基于超導(dǎo)回路腔量子電動(dòng)力學(xué)陣列的量子模擬方案.阿姆斯特丹大學(xué)La 等[96]近期報(bào)道了用于量子模擬的FePt 永磁體薄膜蜂巢納米結(jié)構(gòu)磁晶格原子芯片架構(gòu), 如圖21 所示, 但他們尚未在芯片上實(shí)現(xiàn)原子操控和量子模擬功能.2019 年, 德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院和漢諾威大學(xué)合作報(bào)道了基于芯片上多層離子阱的可擴(kuò)展量子計(jì)算和量子模擬方案, 利用激光冷卻在芯片表面35 μm 處實(shí)現(xiàn)了對(duì)9Be+離子的操控, 如圖22 所示[97].總體上, 當(dāng)前基于原子芯片的量子計(jì)算與量子模擬研究還較為初步, 已有報(bào)道的工作主要為理論方案研究, 實(shí)驗(yàn)工作主要集中于作為量子比特的晶格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備.

圖21 用于量子模擬的FePt 永磁體納米磁晶格原子芯片[96]Fig.21.The magnetic potential in arbitrary units above an magnetized patterned layer of FePt[96].

圖22 聯(lián)邦物理技術(shù)研究院和漢諾威大學(xué)合作報(bào)道的離子阱芯片[97]Fig.22.Multilayer ion trap chip by Germany[97].

4) 其他精密測(cè)量應(yīng)用與基礎(chǔ)研究

冷原子的狀態(tài)與原子芯片上導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)息息相關(guān), 因此可以利用監(jiān)測(cè)冷原子的狀態(tài)來(lái)進(jìn)行高靈敏度的電場(chǎng)和磁場(chǎng)傳感.瑞士的Treutlein 團(tuán)隊(duì)[98]使用原子芯片上的BEC 作為掃描探針, 以微米的分辨率繪制出芯片表面的微波場(chǎng), 場(chǎng)靈敏度達(dá)77 pT/Hz1/2.此外, 里德伯原子具有大極化率、低場(chǎng)電離閾值和大電偶極矩, 對(duì)外部電磁場(chǎng)十分敏感, 可以用來(lái)測(cè)量微波電場(chǎng)強(qiáng)度的微弱變化, 目前利用原子芯片技術(shù)已經(jīng)獲得了優(yōu)于0.04 V/cm 的測(cè)量精度, 但比自由空間的里德伯原子測(cè)量微波電場(chǎng)的性能仍然有數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的差距[99].

在加深對(duì)量子力學(xué)的認(rèn)知、推動(dòng)基礎(chǔ)物理研究方面, 冷原子芯片也逐步發(fā)揮著重要的作用.2010 年,慕尼黑馬克思-普朗克實(shí)驗(yàn)室第一次在原子芯片上實(shí)現(xiàn)多體量子糾纏——自旋壓縮態(tài).這一成果對(duì)實(shí)現(xiàn)更高精度的芯片級(jí)冷原子鐘和冷原子干涉儀提供了重要指導(dǎo), 也有助于理解多體量子關(guān)聯(lián)[100].另外, 操控微重力下的超冷原子可以檢驗(yàn)愛因斯坦等效原理、研究量子力學(xué)在宏觀尺度上的有效性以及探究暗能量和暗物質(zhì).近日, 加州理工學(xué)院噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(JPL)和NASA 的研究人員在《Nature》上發(fā)表了重要論文, 借助國(guó)際空間站的冷原子實(shí)驗(yàn)室(cold atom laboratory), 他們?cè)谠有酒侠蒙漕l蒸發(fā)冷卻實(shí)現(xiàn)了BEC, 獲得了20 s 的超長(zhǎng)壽命以及230 pK 的原子溫度, 證明了微重力環(huán)境對(duì)冷原子實(shí)驗(yàn)的優(yōu)勢(shì), 如圖23 所示[101].除上述進(jìn)展外, 原子芯片對(duì)于研究量子物理中退相干、無(wú)序、非線性和低維物理中的原子散射等基礎(chǔ)問(wèn)題也提供了新的視角和研究手段, 例如原子芯片與最近發(fā)展起來(lái)的數(shù)字微鏡DMD 技術(shù)相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)對(duì)一維勢(shì)阱的有效調(diào)控, 為未來(lái)一維體系中研究諸如無(wú)序?qū)е碌腁nderson 局域、非晶體系以及其他晶格模型的精確量子模擬提供了新的平臺(tái)[102].

圖23 JPL 和NASA 發(fā)射到空間站的原子芯片[103,104]Fig.23.Atom chip launch to the space station by JPL and NASA[103,104].

5 總結(jié)和展望

5.1 亟待解決的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)不懈的努力, 原子芯片研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步, 成為原子光學(xué)與量子光學(xué)的理想研究平臺(tái)之一, 但目前仍存在一系列科學(xué)技術(shù)難題亟待解決.

1) 理論方面: 第一是重點(diǎn)研究原子芯片上的各類原子損耗、熱噪聲及相干性問(wèn)題, 揭示芯片材質(zhì)、幾何形貌、原子云特性以及環(huán)境因素與相干性的關(guān)聯(lián), 闡明冷原子內(nèi)態(tài)、外態(tài)相干性在初態(tài)制備、裝載、分束、導(dǎo)引、合束等操控過(guò)程以及測(cè)量中的演變, 豐富原子芯片表面效應(yīng)以及冷原子中量子少體與多體物理的基本物理認(rèn)知; 第二是著力拓展針對(duì)不同應(yīng)用目的發(fā)展原子芯片操控冷原子的新方法和新理論; 第三是從量子力學(xué)的基本測(cè)量原理出發(fā), 研究各種探測(cè)的理論方案, 為基于原子芯片的量子傳感與精密測(cè)量性能提升提供理論依據(jù).

2) 芯片設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)技術(shù)方面: 一方面需要提出滿足不同需求的緊束縛微勢(shì)阱以及單模原子導(dǎo)引的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案, 能夠在理論上實(shí)現(xiàn)高密度BEC 的囚禁與相干操控; 另一方面需要研制高載流能力、高電導(dǎo)率的高質(zhì)量載流導(dǎo)線, 以及具有高散熱性和高質(zhì)量絕緣層的基底, 同時(shí)還需要開發(fā)微米尺度甚至納米尺度的原子芯片新工藝、解決微納尺度結(jié)構(gòu)的精準(zhǔn)構(gòu)造、納米尺度薄膜的高精度制備以及多層芯片間微結(jié)構(gòu)的對(duì)準(zhǔn)等工藝技術(shù).針對(duì)集成原子芯片的發(fā)展需求, 還應(yīng)發(fā)展復(fù)雜原子芯片的設(shè)計(jì)方法, 并推動(dòng)微納尺度窄線寬激光器、微磁/微光/磁光阱、微型化冷原子氣室和探測(cè)系統(tǒng)及其他新穎原子光學(xué)器件的發(fā)展, 探索原子光學(xué)器件混合集成或者單片集成技術(shù)以及封裝互聯(lián)技術(shù)[11].

3) 原子芯片實(shí)驗(yàn)方面: 根據(jù)加速度計(jì)與陀螺儀等實(shí)際應(yīng)用需求, 芯片上冷原子的產(chǎn)生頻率應(yīng)至少到100 Hz 以上, 因此原子芯片上高通量高效率冷原子制備是與應(yīng)用緊密相關(guān)的重要問(wèn)題.另外,實(shí)驗(yàn)中常常將自由空間冷卻的原子云轉(zhuǎn)移裝載到原子芯片上, 此時(shí)則需要解決裝載過(guò)程中勢(shì)阱的尺寸匹配、模式匹配、中心位置重合、形狀和大小匹配等技術(shù)難題.在原子操控過(guò)程中如何在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中保持良好的相干性, 削弱熱噪聲和原子損耗的影響, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片上的原子及其量子態(tài)的高靈敏度、高精度探測(cè)也是非常重要的研究課題.

5.2 未來(lái)展望

得益于基礎(chǔ)物理與材料、微納加工與集成技術(shù)的突破, 盡管原子芯片至今只有20 余年的歷史,但已經(jīng)獲得巨大的突破: 從操控中性原子到里德伯原子、分子、離子, 從載流導(dǎo)線、永磁體到偶極阱和表面等離激元, 從金屬、硅等材料到磁性材料、超導(dǎo)體、CNT 等, 從外部檢測(cè)到片上單原子檢測(cè), 從單層芯片到多層芯片乃至集成芯片, 從單體到多體物理問(wèn)題, 從表面科學(xué)到量子力學(xué)基礎(chǔ)研究······原子芯片逐步具備取代大型的傳統(tǒng)裝置的能力, 提供了原子-光子-電子相互作用的片上接口, 在諸多領(lǐng)域得到成功的應(yīng)用并展示出獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì).未來(lái), 原子芯片有望根據(jù)需求定制設(shè)計(jì), 集成冷原子源、原子單模相干導(dǎo)引、納米尺度勢(shì)阱、移動(dòng)勢(shì)和原子態(tài)探測(cè)器等模塊, 成為功能強(qiáng)大的原子量子態(tài)操控芯片化平臺(tái), 助力量子精密測(cè)量、量子傳感、量子信息處理等技術(shù)革新性跨越以及量子物理基礎(chǔ)認(rèn)知的更新.

感謝蘭州大學(xué)物理學(xué)院安鈞鴻教授和中國(guó)科學(xué)院物理研究所王如泉研究員提出的寶貴建議, 感謝上海光學(xué)精密機(jī)械研究所周蜀渝副研究員以及張海潮研究員長(zhǎng)期以來(lái)的大力幫助!