原子芯片上的玻色-愛因斯坦凝聚體在我國誕生

由中國科學院院士、中科院上海光機所量子光學重點實驗室王育竹領導的“973”冷原子系綜量子信息存儲技術——原子芯片研究小組，近日實現(xiàn)了我國*個原子芯片上的玻色—愛因斯坦凝聚體（BEC）。實現(xiàn)芯片BEC是該“973”項目的主要指標，也是冷原子研究和量子信息存儲技術研究的重大標志性進展。上只有美、法、德、日等少數(shù)發(fā)達國家擁有芯片BEC。
 
    隨著物理科學技術的發(fā)展，超冷原子介質在超高精度原子頻率標準、原子干涉儀、量子信息存儲和信息處理等方面獲得了重要應用。但是獲得超冷原子氣體和BEC凝聚體的實驗裝置過于復雜和龐大，而且價格十分昂貴，在一定程度上阻礙了其向應用技術的發(fā)展。因此，研制小型化的冷原子實驗裝置（即原子芯片實驗裝置）成為上冷原子應用技術研究的重要發(fā)展方向。原子芯片是利用成熟的半導體制作工藝和MEMS技術，將磁場系統(tǒng)和光學系統(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形成芯片原子磁阱，進而實現(xiàn)集成化的冷原子實驗裝置。芯片磁阱對原子的束縛非常緊，蒸發(fā)冷卻時可以快速實現(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，而且能夠實現(xiàn)一些宏觀冷原子裝置所不能實現(xiàn)的功能。
 
    從2003年起，在國家自然科學基金委和科技部的支持下，上海光機所就成立了原子芯片組，承擔國家自然科學基金重點課題“超冷原子和BEC物理性質研究”和“973”冷原子系綜量子信息存儲研究。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*套集光、機、電為一體的原子芯片實驗裝置，包括超高真空系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、激光穩(wěn)頻系統(tǒng)、外磁場系統(tǒng)、高分辨超冷原子成像系統(tǒng)和計算機程序控制系統(tǒng)等，提出和設計了具有創(chuàng)新學術思想的H型靜磁阱芯片和高頻勢阱芯片。
 
    隨后，該研究組與浙江大學物理系光學所合作，利用半導體微加工技術和上海光機所的鍍膜技術，成功研制出國內*塊靜磁阱原子芯片和高頻勢阱芯片。利用芯片曾進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、原子波導和超冷原子團分裂等研究。在此基礎上開始了芯片BEC研究。實現(xiàn)BEC相變對實驗條件的要求極為苛刻。研究組優(yōu)化了各個部件的設計和各個實驗環(huán)節(jié)，并利用高頻蒸發(fā)冷卻技術，使超冷原子氣體的溫度冷卻到300納K，實現(xiàn)了BEC相變。凝聚體的原子數(shù)為3000個，與同類實驗相同。
 
    上海光機所量子光學實驗室繼實現(xiàn)國內*磁阱BEC后，又實現(xiàn)了*芯片BEC，取得了BEC研究的又一重大進展。BEC的實現(xiàn)為量子信息存儲、量子信息“復印”和量子路由器研究打下基礎，為BEC的更廣泛應用打開了大門。