利用介质超构表面光学芯片实现原子囚禁和冷却

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撰稿| 由课题组供稿

近年来，冷原子系统因其良好的相干性，为量子传感、量子计算、量子模拟等领域的研究和应用提供了理想平台。然而，冷原子制备装置的小型化和可扩展性一直被传统光学系统中的大量光学元件（如分束器、透镜、反射镜等）所阻碍。介质超构表面光学芯片可对入射光的相位、偏振、幅度等自由度进行精确调控，为发展下一代集成化量子光学元件提供了新方法和新思路。近日，南方科技大学材料科学与工程系、量子科学与工程研究院的光学材料与超构材料实验室联合英国伯明翰大学国家量子技术计划传感器和计时研究中心、德国帕德博恩大学等单位利用介质超构表面光学芯片实现了对原子的囚禁和冷却，为实现单束激光的磁光阱（Magneto-Optical Trap, MOT）提供了一种新颖的解决方案。相关成果以标题“A Dielectric Metasurface Optical Chip for the Generation of Cold Atoms”于近期在线发表在《Science Advances》。

近年来，光子学技术的快速发展极大地增强了人们对光场调控的能力。光学超构表面是具有空间变化的金属或介质超构功能基元组成的结构化超薄光学界面。通过设计超构表面的功能基元，人们可以在亚波长尺度上实现对光的偏振、相位、振幅的多自由度调控。与三维超构材料相比，准二维的光学超构表面更易于通过先进的纳米加工技术进行制备。近10年以来，各国科学家在线性光学系统中使用光学超构表面这一新的研究范式，不断研究并实现了各种超薄光学功能元件，例如，人们实现了可见近红外波段的超薄光学相位板、高效率超构表面全息成像器件、超薄平面透镜、脉冲整形器以及非线性光学相位和波前调控元件等。2018年以来，光学超构表面器件逐渐应用于量子信息领域，例如，人们研究了基于介质超构表面的量子态干涉、纠缠光子态的产生和重构、高维纠缠光源等，但尚未被用于制备或操纵冷原子。

冷原子的制备通常使用磁光阱技术，其标准配置包含三对正交对射的具有适当圆偏振的激光束。然而，产生预想圆偏振激光以及控制激光传播方向等需要占用很大的空间。为了实现集成的冷原子制备装置，单束激光磁光阱设计得到了高度关注，例如，金字塔型磁光阱、光栅磁光阱和棱镜磁光阱等平台。这些单光束结构的磁光阱简化了激光束的传播并消除了不同激光束之间功率和偏振的相对波动，极大地增强了设备的鲁棒性和稳定性。尽管此前的单光束MOT系统已有很多进步，但仍存在捕获原子区域不对称、系统集成化程度较低、光利用率低等问题，从而限制了其在量子传感领域的应用。

本文首次报道了一种基于超构表面光学芯片的冷原子产生装置，为实现单束磁光阱（MOT）提供了一种新颖的方案。该方案利用超表面光学芯片取代传统的光学元件，将一束激光分为多束圆偏振态可控的激光，为实现紧凑、低功耗的商用量子传感器提供了一种新的、并且非常有潜力的技术路径。使用超构表面光学芯片捕获的原子数为~ 10⁷；原子温度约35 μK。这一温度与传统的MOT系统在类似条件下所获得的温度相当，通过进一步的蒸发冷技术亦可以实现玻色爱因斯坦凝聚现象。该研究为光学超构表面的应用开辟了新的方向，可以极大地改善原子光学或光晶格的光学传输系统，有望在量子精密测量、量子信息处理和原子物理等领域发挥重要作用。该方法也可扩展到其他物质种类的冷却和囚禁，例如离子、分子和纳米颗粒等。

图1：基于介质超构表面光学芯片的单束激光冷原子产生装置。基于硅的介质超构表面将单束入射圆偏振激光分为五束。经过反射后，所有光束在四极磁场的中心相交，其中激光束的动量总和为零，从而满足三维原子冷却和俘获条件。

如图1所示，超构表面光学芯片可将单个入射激光束衍射成具有预定方向和圆偏振态的五束光束。在五个反射镜的辅助下，所有光束在四极磁场的中心相交，从而满足三维冷却和俘获条件。在磁光阱系统中利用超构表面光学芯片，可以取代操纵激光束所需的复杂光学元件（例如透镜，棱镜，偏振片等）组成的常规光学系统。这为实现小型化、低功耗的量子系统提供了一种极有前途的新方法。

图2：超构表面光学芯片的设计与制备。(A) 超构单元的几何结构：周期370 nm，硅纳米柱长190 nm，宽120 nm，高600 nm。(B) 不同激光入射波长下，两种圆偏振状态的转换效率。(C) 计算所得的超构表面光学芯片的相位分布。比例尺：5 μm。(D) 使用电子束光刻技术制备的超构表面光学芯片的扫描电子显微镜图像(局部视图)，比例尺：1 μm。

图3：基于介质超构表面芯片的磁光阱性能。(A) 在不同磁场线圈电流下，捕获的原子数随激光失谐的变化关系。测量时固定激光强度，每个数据点为五个实验结果的平均值。在共振以下约10MHz的失谐处捕获的原子数达到峰值，当线圈电流为4.4A时，捕获的原子数约10⁷。(B) 从磁光阱中释放的⁸⁷Rb原子团在不同时长的自由膨胀后的吸收图像，原子团膨胀的速度反应了原子团温度。(C) 采用飞行时间法测量原子团温度。拟合 ⁸⁷Rb原子团半径的1 /（68％概率）在轴向（圆形）和径向（三角形）上与膨胀时间t的关系。红色实线和蓝色虚线分别为在磁光阱后有无偏振梯度冷却环节时原子冷却的测量结果。(D)利用偏振梯度冷却形成光学粘胶自由释放后在不同自由膨胀时的吸收图像。

英国伯明翰大学、国防科技大学朱凌晓博士、南方科大材料系刘萱博士、德国帕德博恩大学Basudeb Sain博士以及英国伯明翰大学王梦瑶博士为该论文的并列第一作者，南方科大的李贵新和英国伯明翰大学的连育宏博士为论文通讯作者。该工作得到了论文作者伯明翰大学张霜教授、Kai Bongs教授、德国帕德博恩大学的Thomas Zentgraf 教授、国防科技大学的杨俊教授给予的重要支持和指导。南方科大量子科学与工程研究院的邓俊鸿博士、南方科大材料系的李敬辉博士、博士生唐宇涛在该研究中亦做出了重要贡献。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家自然基金重大研究计划培育项目、广东省“珠江人才计划”引进创新创业团队项目、求是杰出青年学者奖、中国科协青年人才托举工程项目的支持。项目研究初期亦与李昕博士、黄玲玲教授、Junsuk Rho教授等同行进行了深入讨论。

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 文章链接

 L. Zhu, X. Liu, B. Sain, M. Wang, C. Schlickriede, Y. Tang, J. Deng, K. Li, J. Yang, M. Holynski, S. Zhang, T. Zentgraf, K. Bongs, Y.-H. Lien, G. Li, A dielectric metasurface optical chip for the generation of cold atoms. Sci. Adv. 6, eabb6667 (2020).

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