"Мы находимся на переломном этапе", - сказал профессор электротехники и вычислительной техники Дэниел Блюменталь.

В приглашенной статье, которая также была выбрана для обложки журнала Optica Quantum, Блюменталь вместе с аспирантом-исследователем Андреем Исиченко и постдокторским исследователем Нитеш Чаухан излагают последние разработки и будущие направления улавливания и охлаждения атомов, которые являются фундаментальными для этих экспериментов - и которые приведут их к устройствам, соответствующим требованиям. у тебя на ладони.

Холодные атомы - это атомы, которые были охлаждены до очень низких температур, ниже 1 мК, что приводит к снижению их движения до режима очень низкой энергии, при котором возникают квантовые эффекты. Это делает их чувствительными к некоторым из самых слабых электромагнитных сигналов и элементарных частиц, а также идеальными для хронометража, навигационных устройств и квантовых "кубитов" для вычислений.

Чтобы извлечь выгоду из этих свойств, многие исследователи в настоящее время работают с высокочувствительными атомно-оптическими системами лабораторного масштаба для удержания, улавливания и охлаждения атомов. Обычно в этих системах используются лазеры и оптика в свободном пространстве, генерирующие лучи, которые направляются с помощью линз, зеркал и модуляторов. Эти оптические системы объединяются с магнитными катушками и атомами в вакууме для создания холодных атомов с использованием вездесущей трехмерной магнитооптической ловушки (3D-MOT). Задача, с которой сталкиваются исследователи, заключается в том, как воспроизвести функции лазера и оптики в небольшом, долговечном устройстве, которое можно было бы использовать за пределами строго контролируемой среды лаборатории для таких применений, как гравитационное зондирование, точное хронометрирование и метрология, а также квантовые вычисления

Статья Optica Quantum review посвящена недавним и быстрым достижениям в области миниатюризации сложных экспериментов с холодными атомами с помощью компактной оптики и интегрированной фотоники. Авторы ссылаются на достижения фотоники в различных областях, начиная от телекоммуникаций и заканчивая датчиками, и сопоставляют развитие технологии с наукой о холодном атоме.

"Было проделано много действительно замечательной работы по миниатюризации подачи луча, - сказал Исиченко, - но это было сделано с использованием компонентов, которые все еще считаются оптикой свободного пространства - зеркал меньшего размера или решеток меньшего размера, - но вы все равно не смогли бы интегрировать множество функциональных возможностей в чип".

Ознакомьтесь с разработанным исследователями фотонным интегрированным 3D-MOT, миниатюрной версией оборудования, широко используемого в экспериментах по доставке пучков света для лазерного охлаждения атомов. Встроенный в платформу интеграции волноводов из нитрида кремния с низкими потерями, он является частью фотонной системы, которая генерирует, направляет, расширяет и манипулирует всеми лучами, необходимыми для улавливания и охлаждения атомов. В обзорной статье освещается фотонный интегрированный 3D-MOT, или "PICMOT", продемонстрированный командой Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, как важная веха в этой области.

"С помощью фотоники мы можем создавать лазеры на чипе, модуляторы на чипе, а теперь и излучатели с решетками большой площади, которые мы используем для включения и выключения света на чипе", - добавил Исиченко.

Особый интерес представляет атомная ячейка - вакуумная камера, в которой атомы улавливаются и охлаждаются. Одним из достижений исследователей было направление входного света от оптического волокна, ширина которого меньше толщины волоса, по волноводам к трем решетчатым излучателям, которые генерируют три коллимированных пересекающихся луча в свободном пространстве шириной 3,5 мм. Каждый луч отражается сам от себя, образуя в общей сложности шесть пересекающихся лучей, которые улавливают миллион атомов из пара внутри ячейки и в сочетании с магнитными полями охлаждают атомы всего до температуры 250 °c. Блюменталь отметил, что чем больше пучков, тем больше атомов можно захватить в облако и опросить, и тем более точным может быть прибор.

"Мы впервые создали холодные атомы с помощью интегрированной фотоники", - сказал Блюменталь.

Последствия инноваций исследователей имеют далеко идущие последствия. Благодаря запланированным улучшениям в области долговечности и функциональности будущие конструкции MOT на основе чипов могут использовать преимущества целого ряда фотонных компонентов, включая недавние результаты с лазерами на основе чипов. Это может быть использовано для оптимизации технологии в таких разнообразных приложениях, как измерение вулканической активности, последствий повышения уровня моря и движения ледников путем измерения градиента силы тяжести на Земле и вокруг нее.

Интеграция 3D-MOT может дать квантовым ученым и хранителям времени новые способы отправки современных наземных приборов в космос и проведения новых фундаментальных научных исследований, а также обеспечить измерения, невозможные на Земле. Кроме того, эти устройства могли бы способствовать продвижению исследовательских проектов за счет сокращения времени и усилий, затрачиваемых на установку и тонкую настройку оптических установок. Они также могут открыть двери для доступных квантовых исследовательских проектов для будущих физиков.