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原子芯片上的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體在我國(guó)誕生

由中國(guó)科學(xué)院院士、中科院上海光機(jī)所量子光學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王育竹領(lǐng)導(dǎo)的“973”冷原子系綜量子信息存儲(chǔ)技術(shù)——原子芯片研究小組，近日實(shí)現(xiàn)了我國(guó)*個(gè)原子芯片上的玻色—愛(ài)因斯坦凝聚體（BEC）。實(shí)現(xiàn)芯片BEC是該“973”項(xiàng)目的主要指標(biāo)，也是冷原子研究和量子信息存儲(chǔ)技術(shù)研究的重大標(biāo)志性進(jìn)展。上只有美、法、德、日等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家擁有芯片BEC。
 
    隨著物理科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，超冷原子介質(zhì)在超高精度原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、原子干涉儀、量子信息存儲(chǔ)和信息處理等方面獲得了重要應(yīng)用。但是獲得超冷原子氣體和BEC凝聚體的實(shí)驗(yàn)裝置過(guò)于復(fù)雜和龐大，而且價(jià)格十分昂貴，在一定程度上阻礙了其向應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展。因此，研制小型化的冷原子實(shí)驗(yàn)裝置（即原子芯片實(shí)驗(yàn)裝置）成為上冷原子應(yīng)用技術(shù)研究的重要發(fā)展方向。原子芯片是利用成熟的半導(dǎo)體制作工藝和MEMS技術(shù)，將磁場(chǎng)系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)集成到一塊硅基底芯片上。利用表面電流產(chǎn)生的近表面梯度磁場(chǎng)形成芯片原子磁阱，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)集成化的冷原子實(shí)驗(yàn)裝置。芯片磁阱對(duì)原子的束縛非常緊，蒸發(fā)冷卻時(shí)可以快速實(shí)現(xiàn)BEC相變，原子芯片不僅提高了冷原子裝置的穩(wěn)定性、可靠性和便攜性，而且能夠?qū)崿F(xiàn)一些宏觀冷原子裝置所不能實(shí)現(xiàn)的功能。
 
    從2003年起，在國(guó)家自然科學(xué)基金委和科技部的支持下，上海光機(jī)所就成立了原子芯片組，承擔(dān)國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)課題“超冷原子和BEC物理性質(zhì)研究”和“973”冷原子系綜量子信息存儲(chǔ)研究。該小組是由4位博士生和碩士生組成的青年研究組，他們一切從零開始，建立了我國(guó)*套集光、機(jī)、電為一體的原子芯片實(shí)驗(yàn)裝置，包括超高真空系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、激光穩(wěn)頻系統(tǒng)、外磁場(chǎng)系統(tǒng)、高分辨超冷原子成像系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)程序控制系統(tǒng)等，提出和設(shè)計(jì)了具有創(chuàng)新學(xué)術(shù)思想的H型靜磁阱芯片和高頻勢(shì)阱芯片。
 
    隨后，該研究組與浙江大學(xué)物理系光學(xué)所合作，利用半導(dǎo)體微加工技術(shù)和上海光機(jī)所的鍍膜技術(shù)，成功研制出國(guó)內(nèi)*塊靜磁阱原子芯片和高頻勢(shì)阱芯片。利用芯片曾進(jìn)行了激光冷卻氣體原子、芯片表面蒸發(fā)冷卻氣體原子、磁光阱囚禁、原子波導(dǎo)和超冷原子團(tuán)分裂等研究。在此基礎(chǔ)上開始了芯片BEC研究。實(shí)現(xiàn)BEC相變對(duì)實(shí)驗(yàn)條件的要求極為苛刻。研究組優(yōu)化了各個(gè)部件的設(shè)計(jì)和各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，并利用高頻蒸發(fā)冷卻技術(shù)，使超冷原子氣體的溫度冷卻到300納K，實(shí)現(xiàn)了BEC相變。凝聚體的原子數(shù)為3000個(gè)，與同類實(shí)驗(yàn)相同。
 
    上海光機(jī)所量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)室繼實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)*磁阱BEC后，又實(shí)現(xiàn)了*芯片BEC，取得了BEC研究的又一重大進(jìn)展。BEC的實(shí)現(xiàn)為量子信息存儲(chǔ)、量子信息“復(fù)印”和量子路由器研究打下基礎(chǔ)，為BEC的更廣泛應(yīng)用打開了大門。