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。

磁光阱(MOT)是冷原子物理學的主力。如果沒有這種複雜的鐳射束和磁場排列，將原子冷卻到略高於絕對零度的狀態——並觀察出現的量子效應——幾乎是不可能的。但在冷原子能夠成為量子感測器、量子計算機或其他任何將其量子特性付諸實際應用的裝置的一部分之前，這匹笨重的老老馬需要變得更像匹小馬:足夠強壯來完成工作，但要小得多。

美國國家標準與技術研究所(NIST)的物理學家們已經朝著這個目標邁出了重要的一步。在威廉·麥吉的帶領下，研究人員使用平板光刻技術製造了一個只有15釐米長的MOT光學元件。雖然這對於一個基於冷原子的實際裝置來說仍然太大了，但它比普通MOTs的餐桌大小要小得多，這是整合光子學如何使新設計成為可能的標誌。McGehee說:“最終，我們試圖開發的不僅僅是實驗室實驗的一個小版本。”“你必須找到不同的方法來做同樣的事情。”

元件一起工作

和所有MOTs一樣，NIST團隊的裝置使用精確調諧的鐳射束來冷卻重疊區域內的原子。然而，與傳統mot不同的是，新型微型mot的光束是使用平面光學元件生成、定型和定向的。首先，鐳射耦合到光子積體電路(PIC)上的奈米光子波導。由於PIC的輸出光束直徑只有140µm，而對於小於幾毫米的光束，鐳射冷卻效率低下，下一步的任務是使光束更大。NIST的設計透過一個光學超表面實現了這一點，該超表面擴充套件了光束，並在距離15釐米後使其寬度達到均勻強度。此時，光束擊中衍射光柵，並分裂成三對強度相等但方向相反的光束，這是鐳射冷卻所需的。

雖然這些光學元件都不是新的，但英國斯特拉斯克萊德大學的物理學家詹姆斯·麥吉利根(James McGilligan)對他們合作的方式印象深刻。麥吉利根沒有參與NIST的研究。他說:“這些技術的重疊絕不是簡單的。”儘管物理學家們在小型化MOT的其他部件上取得了進展，麥吉利根指出，光學傳輸系統“在小型化的檢查表上仍然是一個龐大而難以捉摸的部件”。他說，NIST小組的平面光學系統是“冷原子儀器的關鍵一步”。

從微型到微型

McGehee認為，要製造出真正的行動式MOT，光學元件需要進一步縮小，可能縮小到1釐米。對於NIST團隊目前的設定來說，這將是一個棘手的問題，因為這意味著鐳射束的強度在它與原子相互作用的區域不再是均勻的。McGehee指出，這將是“複雜的”修復。他說:“透過適當的模擬，你可以弄清楚你需要什麼，然後製作出來，但這可能需要幾年時間。”

儘管如此，他和麥吉利根都對進一步的縮減充滿信心。麥吉利根說：“ [這項技術]很可能會被全球的研究團隊採用，以幫助其冷原子實驗的小型化。” 他補充說，如果將其與緊湊型真空系統結合以將原子與環境隔離，則新的光學元件“有可能最終將冷原子系統帶出實驗室環境，並帶入晶片級裝置，在這種裝置中，其精度和準確性可以對我們的技術能力影響最大”。