對於一個非物理學家來說，“原子束準直器”聽起來可能像一個相位器在發射神祕的粒子。這或許不是引入一項技術的最糟糕比喻，研究人員目前已將其小型化，使其更有可能在某一天應用於手持設備。原子束準直器主要是在物理實驗室中發現，它們在光束中發射出原子，產生奇異的量子現象，其性質可能對精密技術有用。佐治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的研究人員希望，通過將準直儀從小型設備的尺寸縮小到適合放在指尖尺寸，讓工程師們能夠使用這種技術來開發原子鐘或加速計等先進設備。

喬治亞理工大學物理學院副教授、該項研究的聯合首席研究員錢德拉·拉曼說：這種設備可能是下一代陀螺儀，它是一種獨立於GPS的精確導航系統，可以在遠離衛星範圍的偏遠地區或太空旅行時使用。這項研究由海軍研究辦公室資助，研究人員於2019年4月23日在《自然通訊》上發表了他們的研究結果。這是準直儀，原子束中的一些量子勢，以及微型準直儀的形式如何幫助原子束形成新一代的技術。準直原子束已經存在幾十年了，但目前，準直儀必須很大才能精確。

藍色原子，從平行的原子束準直器中射出，粉紅色的激光可以操縱出原子達到預期效果。圖片：Georgia Tech / Ella Maru studios work for hire

原子束從一個充滿原子的盒子裏開始，通常是銣原子，加熱成蒸汽，原子就會亂蹦亂跳。一根管子輕敲盒子，隨機原子以正確的軌跡射入管子，就像子彈射入獵槍的槍管一樣。就像子彈離開散彈槍一樣，原子從管的一端射出，射得相當直，但也會有隨機原子噴射以傾斜的角度飛行。在原子束中，這種噴霧會產生信號噪聲，而改進後的晶片準直儀可以消除大部分噪聲，從而獲得更精確、幾乎完全平行的原子束。光束比來自現有準直儀的光束更加聚焦和純凈，研究人員還希望他們的準直儀能讓實驗物理學家更方便地創建復雜的量子態。

固定式慣性電機

但更直接的是，準直儀建立了牛頓力學，可以應用於實際，改進後的光束具有穩定的慣性，因為與由無質量光子構成的激光束不同，原子具有質量，因此具有動量和慣性。這使得的光束成為束驅動陀螺儀中潛在理想參考點，有助於跟蹤運動和位置變化。目前無gps導航設備中的陀螺儀在短期內是精確的，但在長期內就不那麼精確了，這意味着要經常重新校準或替換它們，這使得它們在月球或火星上不那麼方便。

鑷子末端的準直器，排列成一排的小孔是原子射入準直器通道入口。圖片：Georgia Tech / Christopher Moore

佐治亞理工大學電氣與計算機工程學院肯·拜爾斯教授、該研究的聯合首席研究員法魯克·阿亞茲說：基於MEMS(微機電系統)技術的傳統芯片規模儀器會隨着時間的推移受到各種壓力的影響而漂移。為了消除這種漂移，需要一個絕對穩定的機制，這種原子束在芯片上產生了那種參照。

量子糾纏光束

光束中的熱激發原子也可以轉化為裏德伯原子，從而提供了豐富的量子特性。當一個原子受到足夠的能量時，它最外層軌道上的電子就會向外撞擊，以至於原子膨脹起來。在如此遙遠的軌道上以如此大的能量運行，以至於最外層電子表現得像氫原子的孤電子，而裏德伯格原子的行為就好像它只有一個質子。可以利用裏德伯格態來設計某些類型的多原子量子糾纏，因為原子之間的相互作用比基態的兩個原子強得多。裏德伯格原子還可以推進未來的傳感器技術，因為它們對力的通量或比電子規模小的電子領域通量非常敏感，它們也可以用於量子信息處理。

光刻硅槽

研究人員設計了一種非常方便的方法來製造這種新型準直儀，這可能會鼓勵製造商採用這種方法：在平行於平板表面的硅片上切割狹長通道。這些通道就像並排排列的槍管，用來發射一系列原子束。硅是一種非常光滑的材料，可以讓原子飛過去，也用於許多現有的微電子和計算技術。這為將這些技術與新的微型準直儀結合在芯片上提供了可能。光刻技術用於蝕刻現有的芯片技術，用於精確地切割準直儀的通道。

研究人員最大的創新是大大降低了散彈槍式噴霧，即信號噪聲。他們在通道上切了兩個缺口，形成了由三組平行排列的桶組成的對齊的級聯。以傾斜角度飛行的原子在縫隙處跳出溝道，那些在第一個溝道陣列中合理平行飛行的原子繼續向下一個溝道陣列飛行，然後這個過程從第二個溝道陣列重複進入第三個溝道陣列，這使得新的準直器的原子束具有非凡的直線度。

博科園-科學科普｜研究/來自: 佐治亞理工學院

參考期刊文獻:《Nature Communications》

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