Хотя квантовые технологии доказали свою ценность для высокоточного хронометража, практическая реализация этих технологий в различных средах по-прежнему остается ключевой задачей. Сделав важный шаг на пути к портативным квантовым устройствам, исследователи разработали новый компактный источник холодных атомов с высоким потоком и низким энергопотреблением, который может стать ключевым компонентом многих квантовых технологий.
«Использование квантовых технологий на основе атомов, охлаждаемых лазером , уже привело к разработке атомных часов, которые используются для хронометража на национальном уровне», — сказал руководитель исследовательской группы Кристофер Фут из Оксфордского университета в Великобритании. «Точные часы имеют множество применений. в синхронизации электронных коммуникационных и навигационных систем, таких как GPS. Компактные атомные часы, которые могут быть развернуты более широко, в том числе в космосе, обеспечивают отказоустойчивость в сетях связи, поскольку местные часы могут поддерживать точное хронометраж даже в случае сбоя сети «.
Исследователи разработали источник холодного атома, в котором используются четыре зеркала, расположенные в виде пирамиды и расположенные таким образом, чтобы они могли скользить мимо друг друга, как лепестки цветка. Это создает регулируемое отверстие в вершине пирамиды, через которое холодные атомы выталкиваются наружу. Предоставлено: Кристофер Фут, Оксфордский университет.
В журнале Optics Express S. Ravenhall, B. Yuen и Foot описывают работу, проведенную в Оксфорде, Великобритания, по демонстрации совершенно новой конструкции источника холодного атома. Новое устройство подходит для широкого спектра технологий холодного атома.
«В этом проекте мы взяли дизайн, который мы создали для исследовательских целей, и превратили его в компактное устройство», — сказал Фут. «В дополнение к приложениям для хронометража компактные устройства с холодным атомом могут также использоваться для инструментов для гравитационного картографирования, инерциальной навигации и связи, а также для изучения физических явлений в исследовательских приложениях, таких как темная материя и гравитационные волны».
Охлаждение атомов светом
Хотя это может показаться нелогичным, лазерный свет можно использовать для охлаждения атомов до чрезвычайно низких температур путем приложения силы, замедляющей атомы. Этот процесс можно использовать для создания источника холодных атомов, который генерирует пучок охлажденных лазером атомов, направленный в область, где, например, выполняются точные измерения для хронометража или обнаружения гравитационных волн.
Для лазерного охлаждения обычно требуется сложное расположение зеркал, чтобы направлять свет на атомы в вакууме со всех сторон. В новой работе исследователи создали совершенно другую конструкцию, в которой используется всего четыре зеркала. Эти зеркала расположены в виде пирамиды и расположены таким образом, чтобы они могли скользить мимо друг друга, как лепестки цветка, чтобы создать отверстие на вершине пирамиды, через которое выталкиваются холодные атомы. Размер этого отверстия можно регулировать, чтобы оптимизировать поток холодных атомов для различных приложений. Пирамида отражает свет от одного входящего лазерного луча, который попадает в вакуумную камеру через одно смотровое окно, что значительно упрощает оптику.
Зеркала, расположенные внутри вакуумной области источника холодного атома, были созданы путем полировки металла и нанесения диэлектрического покрытия. «Регулируемость этой конструкции — совершенно новая функция», — сказал Фут. «Создание пирамиды из четырех одинаковых полированных металлических блоков упрощает сборку, и ее можно использовать без механизма регулировки».
Лучшие измерения с большим количеством атомов
Чтобы проверить свою новую конструкцию источника холодных атомов, исследователи сконструировали лабораторное оборудование, позволяющее полностью охарактеризовать поток атомов, испускаемых через отверстие на вершине пирамиды.
«Мы продемонстрировали исключительно высокий поток атомов рубидия», — сказал Фут. «Большинство устройств с холодным атомом проводят измерения, которые улучшаются с увеличением количества используемых атомов. Источники с более высоким потоком, таким образом, могут использоваться для повышения точности измерений, увеличения отношения сигнал / шум или для достижения большей ширины полосы измерения».
Исследователи говорят, что новый источник подходит для коммерческого применения. Поскольку он имеет небольшое количество компонентов и несколько этапов сборки, масштабирование производства для производства нескольких копий будет простым.
Дополнительная информация: Шон Равенхолл и др., Регулируемый компактный источник холодных атомов с высоким потоком, Optics Express (2021 г.). DOI: 10.1364 / OE.423662
Иллюстрация: Исследователи разработали источник холодного атома, в котором используются четыре зеркала, расположенные в виде пирамиды и расположенные таким образом, чтобы они могли скользить мимо друг друга, как лепестки цветка. Это создает регулируемое отверстие в вершине пирамиды, через которое холодные атомы выталкиваются наружу. Изображения показывают рендеринг. Предоставлено: Кристофер Фут, Оксфордский университет.
Будьте в курсе в удобном формате, присоединяйтесь: TG-канал и ВК