Ny kold atomkilde lægger grunden til bærbare kvanteenheder

Selvom kvanteteknologi har vist sig værdifuld for meget præcis tidtagning, at gøre disse teknologier praktiske til brug i en række forskellige miljøer er stadig en vigtig udfordring. Som et vigtigt skridt hen imod bærbare kvanteenheder, forskere har udviklet en ny højflux og kompakt koldatomkilde med lavt strømforbrug, der kan være en nøglekomponent i mange kvanteteknologier.

"Brugen af ​​kvanteteknologier baseret på laserkølede atomer har allerede ført til udviklingen af ​​atomure, der bruges til tidtagning på nationalt plan, " sagde forskerholdsleder Christopher Foot fra Oxford University i Storbritannien. "Præcise ure har mange anvendelser til synkronisering af elektronisk kommunikation og navigationssystemer såsom GPS. Kompakte atomure, der kan anvendes mere bredt, herunder i rummet, give modstandsdygtighed i kommunikationsnetværk, fordi lokale ure kan opretholde nøjagtig tidtagning, selvom der er en netværksafbrydelse."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , S. Ravenhall, B. Yuen og Foot beskriver arbejde udført i Oxford, U.K. for at demonstrere et helt nyt design til en kold atomkilde. Den nye enhed er velegnet til en bred vifte af koldatomteknologier.

"I dette projekt tog vi et design, vi lavede til forskningsformål, og udviklede det til en kompakt enhed, " sagde Foot. "Ud over tidtagningsansøgninger, kompakte enheder med koldt atom kan også bruges til instrumenter til tyngdekraftkortlægning, inerti navigation og kommunikation og at studere fysiske fænomener i forskningsapplikationer såsom mørkt stof og gravitationsbølger."

Afkøling af atomer med lys

Selvom det kan virke kontraintuitivt, laserlys kan bruges til at afkøle atomer til ekstremt lave temperaturer ved at udøve en kraft, der bremser atomerne. Denne proces kan bruges til at skabe en koldatomkilde, der genererer en stråle af laserkølede atomer rettet mod et område, hvor præcisionsmålinger til tidtagning eller detektering af gravitationsbølger, for eksempel, udføres.

Laserkøling kræver normalt et kompliceret arrangement af spejle for at skinne lys på atomer i et vakuum fra alle retninger. I det nye værk, forskerne skabte et helt andet design, der kun bruger fire spejle. Disse spejle er arrangeret som en pyramide og placeret på en måde, så de kan glide forbi hinanden som kronbladene på en blomst for at skabe et hul i toppen af ​​pyramiden, hvorigennem de kolde atomer skubbes ud. Størrelsen af ​​dette hul kan justeres for at optimere strømmen af ​​kolde atomer til forskellige anvendelser. Pyramidearrangementet reflekterer lyset fra en enkelt indkommende laserstråle, der kommer ind i vakuumkammeret gennem en enkelt viewport, derved i høj grad forenkle optikken.

spejlene, som er placeret inde i vakuumområdet af koldtatomkilden, blev skabt ved at polere metal og påføre en dielektrisk belægning. "Justerbarheden af ​​dette design er en helt ny funktion, " sagde Foot. "At skabe en pyramide af fire identiske polerede metalblokke forenkler samlingen, og den kan bruges uden justeringsmekanismen."

Bedre målinger med flere atomer

For at teste deres nye kulde-atom kilde design, forskerne konstruerede laboratorieudstyr til fuldt ud at karakterisere strømmen af ​​atomer, der udsendes gennem et hul i pyramidens spids.

"Vi demonstrerede en usædvanlig høj flux af rubidiumatomer, " sagde Foot. "De fleste enheder med kolde atomer tager målinger, der forbedres med antallet af brugte atomer. Kilder med en højere flux kan således bruges til at forbedre målenøjagtigheden, booste signal-til-støj-forholdet eller hjælpe med at opnå større målebåndbredder."

Forskerne siger, at den nye kilde er velegnet til kommerciel anvendelse. Fordi den har et lille antal komponenter og få monteringstrin, at opskalere produktionen til at producere flere kopier ville være ligetil.