磁光阱可以冷卻和捕獲原子蒸氣，在現代原子物理中有著廣泛的應用前景。磁光阱獲得的冷原子系綜是實現長相幹時間量子比特以及在此基礎上實現量子精密測量、量子模擬和計算等應用的必要基礎。
然而，傳統磁光阱系統在進壹步可擴展應用方面受到部分限制，如多通道自由空間光束對準、巨大的反亥姆霍茲線圈、磁場與光場中心的嚴格重合等。因此，如何實現小型化甚至芯片化的磁光阱系統引起了國際上的廣泛興趣。其中，基於光柵芯片的磁光阱大大簡化了傳統磁光阱中六束空間光的入射系統，不僅體積小、重量輕、光學窗口豐富、可擴展性高，而且在移動量子精密測量系統和集成量子計算系統中具有巨大潛力。
但是對於磁光阱的另壹個重要部分——磁場線圈，以前只能用三維線圈來實現。如果磁場線圈尺寸大，需要更粗的導線和更強的電流來實現所需的磁場梯度，導致功耗大，發熱嚴重。如果減小線圈的尺寸，線圈可能會嚴重阻礙光路並減小可用的光學窗口尺寸。
因此，郭光燦院士團隊鄒長嶺與陸正田教授合作，提出了壹種全新的平面磁場線圈構型，只需要壹個3cm的3cm芯片，就能產生磁光阱所需的四極磁場。他們以中國科學技術大學微納加工中心為基礎，自主設計加工了相互匹配的磁場芯片和光柵芯片，並以此為基礎成功俘獲了106多個低溫87Rb原子，證明了這種新穎構型的實用性。他們結合自主設計的磁場芯片和光柵芯片，實現了基於雙芯片的冷原子磁光阱系統。相關結果最近在線發表在《物理評論應用》雜誌上。
前述團隊設計的兩種芯片體積小、重量輕、功耗低，騰出了更多的光學窗口。另外，用起來也很方便。兩塊芯片可以疊放在壹起，只需要在真空玻璃窗外固定透明膠，單束激光束的入射就可以捕獲冷原子。其中6.4W(瓦)的磁場芯片可以驅動，有望使用便攜式蓄電池供電，這將促進小型磁光阱系統的進壹步集成。
該團隊進壹步探索了磁光阱的性能與新配置下各種參數之間的關系。研究人員在實驗中觀察到，隨著磁場電流的增加，局域最優光場的失諧量會近似線性增加。基於原子的能級構型，研究小組提出這可能是由磁場大小減小引起的，實驗證實了這種磁光阱調控的新特征，這在傳統的三維大線圈構型中容易被忽略。這項研究不僅在實驗中觀察到了這壹重要的物理現象，而且對磁光阱的性能有了新的認識。
審稿人評論說:“我認為這項工作將吸引原子、分子和光學(AMO)的關註，在這些領域，光柵磁光阱(MOT)和micro MOT技術正在成為人們的興趣，這項工作產生了真正的影響，並與實際應用密切相關。”
中國科學院量子信息重點實驗室研究生陳亮是論文第壹作者，鄒長嶺教授是論文作者。上述研究工作得到了國家重點研發項目、國家自然科學基金、中央高校基本科研業務費專項資金和市場監管國家重點實驗室開放項目(時頻與重力測量基準)的支持。相關成果已獲得專利和授權。
校對:丁曉