Atomstråler skyder rettere via cascading silicium peashooters

Til en ikke-fysiker, en "atomic beam collimator" kan lyde som en phaser, der affyrer mystiske partikler. Det er måske ikke den værste metafor for at introducere en teknologi, som forskere nu har miniaturiseret, gør det mere sandsynligt, at det en dag lander i håndholdte enheder.

I dag, atomstrålekollimatorer findes for det meste i fysiklaboratorier, hvor de skyder atomer ud i en stråle, der producerer eksotiske kvantefænomener, og som har egenskaber, der kan være nyttige i præcisionsteknologier. Ved at krympe kollimatorer fra størrelsen på et lille apparat til at passe på en fingerspids, forskere ved Georgia Institute of Technology ønsker at gøre teknologien tilgængelig for ingeniører, der fremmer enheder som atomure eller accelerometre, en komponent, der findes i smartphones.

"En typisk enhed, du kan få ud af dette, er et næste generations gyroskop for et præcisionsnavigationssystem, der er uafhængigt af GPS og kan bruges, når du er uden for satellitafstand i et fjerntliggende område eller rejser i rummet, "sagde Chandra Raman, en lektor i Georgia Tech's School of Physics og en medforstander om undersøgelsen.

Forskningen blev finansieret af Office of Navy Research. Forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Naturkommunikation den 23. april, 2019.

Her er hvad en kollimator er, noget af kvantepotentialet i atomstråler, og hvordan miniaturekollimatorformatet kunne hjælpe atomstråler med at forme nye generationer af teknologi.

Lomme atomvåben

"Kollimerede atomstråler har eksisteret i årtier, "Sagde Raman, "Men pt. kollimatorer skal være store for at være præcise. "

Atomstrålen starter i en kasse fuld af atomer, ofte rubidium, opvarmet til en damp, så atomerne zinger rundt kaotisk. Et rør tapper ind i kassen, og tilfældige atomer med den rigtige bane skyder ind i røret som pellets, der kommer ind i et haglgeværs tønde.

Som piller, der efterlader et haglgevær, atomerne forlader enden af ​​røret, der skyder rimeligt lige, men også med en tilfældig sprøjtning med atomskud, der flyver i skæve vinkler. I en atomstråle, at spray producerer signalstøj, og den forbedrede collimator-on-a-chip eliminerer det meste af det for en mere præcis, næsten perfekt parallel stråle af atomer.

Strålen er meget mere fokuseret og ren end bjælker, der kommer fra eksisterende kollimatorer. Forskerne vil også gerne have, at deres kollimator giver eksperimentelle fysikere mulighed for mere bekvemt at oprette komplekse kvantetilstande.

Urokkelig inertimaskine

Men mere umiddelbart, kollimatoren opretter newtonsk mekanik, der kan tilpasses til praktisk brug.

De forbedrede bjælker er strømme af urokkelig inerti, fordi, i modsætning til en laserstråle, som er lavet af masseløse fotoner, atomer har masse og dermed momentum og inerti. Dette gør deres stråler potentielt ideelle referencepunkter i stråledrevne gyroskoper, der hjælper med at spore bevægelse og ændringer i placeringen.

Nuværende gyroskoper i GPS-fri navigationsenheder er præcise på kort sigt, men ikke i det lange løb, hvilket betyder at kalibrere eller udskifte dem nogensinde så ofte, og det gør dem mindre bekvemme, sige, på månen eller på Mars.

"Konventionelle chip-skala instrumenter baseret på MEMS (mikroelektromekaniske systemer) teknologi lider af drift over tid fra forskellige belastninger, sagde co-hovedforsker Farrokh Ayazi, der er Ken Byers professor i Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. "For at fjerne den drift, du har brug for en absolut stabil mekanisme. Denne atomstråle skaber den slags reference på en chip. "

Quantum entanglement beam

Varme-eksiterede atomer i en stråle kan også omdannes til Rydberg-atomer, som giver et overflødighedshorn af kvanteegenskaber.

Når et atom får nok energi, dens yderste kredsløbende elektron støder ud så langt, at atomet balloner i størrelse. Kredsløb så langt ude med så meget energi, at den yderste elektron opfører sig som den eneste elektron i et hydrogenatom, og Rydberg -atomet virker som om det kun havde en enkelt proton.

"Du kan konstruere visse former for multi-atom kvanteforvikling ved at bruge Rydberg-tilstande, fordi atomerne interagerer med hinanden meget stærkere end to atomer i grundtilstanden, "Sagde Raman.

"Rydberg -atomer kan også fremme fremtidige sensorteknologier, fordi de er følsomme over for gældende flux eller i elektroniske felter, der er mindre end en elektron i skala, "Sagde Ayazi." De kan også bruges til behandling af kvanteoplysninger. "

Litograferede siliciumspor

Forskerne udtænkte en overraskende bekvem måde at lave den nye kollimator, som kunne tilskynde producenterne til at vedtage det:De skærer længe, ekstremt smalle kanaler gennem en siliciumskive, der løber parallelt med dens flade overflade. Kanalerne var som haglgeværer, der var stillet op side om side for at skyde en række atomstråler ud.

Silicium er et usædvanligt glat materiale til atomer at flyve igennem og bruges også i mange eksisterende mikroelektroniske og computingsteknologier. Det åbner muligheden for at kombinere disse teknologier på en chip med den nye miniaturekollimator. Litografi, som bruges til at æde eksisterende chipteknologi, blev brugt til præcist at skære kollimatorens kanaler.

Forskernes største innovation reducerede i høj grad den haglgeværlignende spray, dvs. signalstøj. De skar to huller i kanalerne, danner en justeret kaskade af tre sæt parallelle arrays af tønder.

Atomer, der flyver i skæve vinkler, springer ud af kanalerne ved hullerne, og dem, der flyver rimeligt parallelt i den første række kanaler, fortsætter til den næste, derefter gentages processen fra den anden til den tredje række kanaler. Dette giver den nye kollimators atomstråler deres enestående retfærdighed.