一個新的光學系統的插圖，該系統可以最小化原子的鐳射冷卻，這是在微晶片上冷卻原子的關鍵步驟。光束從光子積體電路（PIC）發射，並藉助稱為極端模式轉換器（EMC）的元件大大擴充套件了光束。然後，光束撞擊經過精心設計的超薄薄膜，稱為超表面（MS），該薄膜上佈滿了細小的支柱，這些支柱進一步使光束擴充套件併成形。光束從光柵晶片衍射，在真空室內形成多個重疊的鐳射束。鐳射束和磁場的結合有效地冷卻並捕獲了磁氣阱（MOT）中的大量氣態原子。圖片來源：NIST

很小很酷。美國國家標準技術研究院（NIST）的科學家已將將原子冷卻至比絕對零值高出千分之一度的原子所需的光學元件微型化，這是在微晶片上應用它們以驅動新一代超高精度的第一步原子鐘，無需GPS即可導航，並模擬量子系統。

冷卻原子等效於減慢它們的速度，這使它們更容易研究。在室溫下，原子以接近音速的速度在空氣中搖曳，大約每秒343米。快速，隨機移動的原子與其他粒子的相互作用只是短暫的，它們的運動使測量原子能級之間的躍遷變得困難。當原子慢速爬行時（每秒約0.1米），研究人員可以精確地測量粒子的能量躍遷和其他量子特性，以用作眾多導航和其他裝置的參考標準。

二十多年來，科學家透過用鐳射轟擊原子來冷卻原子，這是NIST物理學家比爾·菲利普斯（Bill Phillips）共同分享的1997年諾貝爾物理學獎。儘管鐳射通常會激發原子，使原子運動得更快，但是如果仔細選擇光的頻率和其他屬性，則會發生相反的情況。撞擊原子後，鐳射光子會降低原子的動量，直到它們緩慢移動到足以被磁場捕獲的程度。

但是要準備鐳射使其具有冷卻原子的特性，通常需要與餐廳桌子一樣大的光學元件。這是一個問題，因為它限制了這些超冷原子在實驗室外的使用，在那裡它們可能成為高精度導航感測器，磁力計和量子模擬的關鍵要素。

現在，NIST的研究人員William McGehee和他的同事們設計了一個緊湊的光學平臺，僅約15釐米（5.9英寸）長，可以冷卻並捕獲1釐米寬區域中的氣態原子。儘管已經建立了其他微型冷卻系統，但這是第一個完全依靠易於批次生產的平面或平面光學系統的系統。

McGehee說：“這很重要，因為它展示了製造真實裝置的途徑，而不僅僅是小型的實驗室實驗。” 這種新的光學系統雖然仍然大到無法安裝在微晶片上的10倍，但卻是在實驗室以外的眾多緊湊型，基於晶片的導航和量子裝置中採用超冷原子的關鍵一步。NIST與大學公園內的馬里蘭大學合作的聯合量子研究所的研究人員，以及馬里蘭大學電子與應用物理研究所的科學家，也為這項研究做出了貢獻。

該儀器在《新物理學雜誌》上線上描述，由三個光學元件組成。首先，使用稱為極限模式轉換器的裝置從光學積體電路發射光。轉換器將狹窄的鐳射束放大，最初的直徑約為500奈米（nm）（大約是頭髮的五分之一），是其寬度的280倍。然後，擴大的光束撞擊經過精心設計的超薄薄膜，稱為“元表面”，上面佈滿了細小的柱子，柱子的長度約為600 nm，寬度為100 nm。

奈米柱的作用是使鐳射束進一步展寬100倍。要使光束有效地與大量原子相互作用並對其進行冷卻，必須進行戲劇性的展寬。此外，透過在較小的空間區域內完成這項壯舉，超穎表面可以使冷卻過程最小化。

超表面以其他兩種重要方式對光進行整形，同時更改了光波的強度和偏振（振動的方向）。通常，強度遵循鐘形曲線，在該曲線中，光線在光束中心最亮，而兩側則逐漸衰減。NIST的研究人員設計了納米柱，以便使微小的結構改變強度，從而產生在整個寬度上具有均勻亮度的光束。均勻的亮度可以更有效地利用可用的光。光的偏振對於鐳射冷卻也至關重要。

然後，經過擴充套件，整形的光束入射到衍射光柵上，該衍射光柵將單束光束分成三對相等且方向相反的光束。結合所施加的磁場，四個束以相反的方向推動原子，以捕獲冷卻的原子。

光學系統的每個元件-轉換器，超表面和光柵-都是在NIST開發的，但分別在馬里蘭州的蓋瑟斯堡和科羅拉多州的博爾德的兩個NIST園區的單獨實驗室中進行操作。McGehee和他的團隊將不同的元件組合在一起以構建新系統。

他說：“這是這個故事中最有趣的部分。” “我認識所有獨立研究這些不同元件的NIST科學家，我意識到可以將這些元素放在一起以建立一個小型化的鐳射冷卻系統。”

McGehee補充說，儘管光學系統必須比鐳射冷卻晶片上的原子小10倍，但該實驗“是可以做到的原理證明”。

他說：“最終，使光準備工作變得更小，更簡單將使基於鐳射冷卻的技術能夠在實驗室之外使用。”