我国实现芯片玻色—爱因斯坦凝聚体
来源: 2008-12-04 01:07:42
         由中国科学院院士、中科院上海光机所量子光学重点实验室王育竹领导的“973”冷原子系综量子信息存储技术——原子芯片研究小组,近日实现了我国第一个原子芯片上的玻色—爱因斯坦凝聚体(BEC)。实现芯片BEC是该“973”项目的主要指标,也是冷原子研究和量子信息存储技术研究的重大标志性进展。国际上只有美、法、德、日等少数发达国家拥有芯片BEC。 

        随着物理科学技术的发展,超冷原子介质在超高精度原子频率标准、原子干涉仪、量子信息存储和信息处理等方面获得了重要应用。但是获得超冷原子气体和BEC凝聚体的实验装置过于复杂和庞大,而且价格十分昂贵,在一定程度上阻碍了其向应用技术的发展。因此,研制小型化的冷原子实验装置(即原子芯片实验装置)成为国际上冷原子应用技术研究的重要发展方向。原子芯片是利用成熟的半导体制作工艺和MEMS技术,将磁场系统和光学系统集成到一块硅基底芯片上。利用表面电流产生的近表面梯度磁场形成芯片原子磁阱,进而实现集成化的冷原子实验装置。芯片磁阱对原子的束缚非常紧,蒸发冷却时可以快速实现BEC相变,原子芯片不仅提高了冷原子装置的稳定性、可靠性和便携性,而且能够实现一些宏观冷原子装置所不能实现的功能。 

       从2003年起,在国家自然科学基金委和科技部的支持下,上海光机所就成立了原子芯片组,承担国家自然科学基金重点课题“超冷原子和BEC物理性质研究”和“973”冷原子系综量子信息存储研究。该小组是由4位博士生和硕士生组成的青年研究组,他们一切从零开始,建立了我国第一套集光、机、电为一体的原子芯片实验装置,包括超高真空系统、光学系统、激光稳频系统、外磁场系统、高分辨超冷原子成像系统和计算机程序控制系统等,提出和设计了具有创新学术思想的H型静磁阱芯片和高频势阱芯片。 

         随后,该研究组与浙江大学物理系光学所合作,利用半导体微加工技术和上海光机所的镀膜技术,成功研制出国内第一块静磁阱原子芯片和高频势阱芯片。利用芯片曾进行了激光冷却气体原子、芯片表面蒸发冷却气体原子、磁光阱囚禁、原子波导和超冷原子团分裂等研究。在此基础上开始了芯片BEC研究。实现BEC相变对实验条件的要求极为苛刻。研究组优化了各个部件的设计和各个实验环节,并利用高频蒸发冷却技术,使超冷原子气体的温度冷却到300纳K,实现了BEC相变。凝聚体的原子数为3000个,与国际同类实验相同。 

         上海光机所量子光学实验室继实现国内首个磁阱BEC后,又实现了首个芯片BEC,取得了BEC研究的又一重大进展。BEC的实现为量子信息存储、量子信息“复印”和量子路由器研究打下基础,为BEC的更广泛应用打开了大门。
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