当今时代，人们越来越追求小体积与精巧细微的东西。美国国家标准与技术研究院（NIST）的科学家们将能够把原子冷却到“绝对零度以上千分之几摄氏度”的光学元件微型化，这是在微芯片上应用它们驱动新一代超微结构的第一步。这些超微结构包括超高精度的原子钟，无需全球定位系统（GPS）即可使用的导航和模拟量子系统。

研究人员一般通过冷却原子以使研究更容易展开，这相当于减慢它们的速度。在室温下，原子以接近音速的速度在空气中疾驰，约343m/s。快速且随机移动的原子与其他粒子只有短暂的相互作用时间，它们的运动使测量原子能级之间的跃迁变得困难。当原子以0.1m/s左右的速度缓慢移动时，研究人员可以精确地测量粒子的能量跃迁和其他量子特性，以用作众多导航和其他设备的参考标准。

二十多年来，科学家们一直通过激光轰击来冷却原子，NIST物理学家Bill Phillips也因此获得了1997年诺贝尔物理学奖。虽然激光通常会给原子提供能量，使它们移动得更快，但如果仔细选择光的频率和其他属性，就会得到相反的情况。在撞击原子时，激光光子会减弱原子的动量，直到它们移动得足够慢，从而被磁场捕获。

但是为了使激光具有冷却原子的特性，通常需要一个像餐桌那么大的光学组件。这是一个棘手的问题，因为它限制了这些超冷原子在实验室之外的使用，而它们可能成为高精度导航传感器、磁力计和量子模拟的关键元素。

现在，NIST的研究员William McGehee和他的同事们设计了一个袖珍的光学平台，只有15 cm(5.9 in)长，它可以冷却和捕获1 cm宽区域内的气态原子。这是第一个仅依靠平面光学系统的微型冷却系统，并且易于大规模生产。

来源：NIST

图为微型激光冷却原子的新光学系统演示，这是冷却微芯片原子的关键步骤。一束激光从光子集成电路(PIC)发射出来，并借助极端模式转换器（EMC）的元件大大扩展了光束。随后，光束击中一层精心设计的超薄薄膜，即所谓的“超表面”(MS)，该薄膜上布满了细小的柱子，这些柱子进一步扩展并塑造了光束的形状。光束从光栅芯片衍射，在真空室中形成多个重叠的激光束。激光束和磁场的结合有效地冷却并捕获了磁光阱(MOT)中大量的气体原子。

“这很重要，因为它展示了制造真正设备的途径，而不仅仅是实验室中用到的小版本，”McGehee说。尽管新的光学系统仍然比微芯片大10倍左右，但它是在实验室以外的一系列微小的、基于芯片的导航和量子设备中使用超冷原子的关键一步。联合量子研究所是NIST和马里兰大学在大学公园的合作机构，该研究所的研究人员和马里兰大学电子与应用物理研究所的科学家也为这项研究做出了贡献。研究人员将他们的实验结果发表在《新物理杂志》中。

McGehee补充说，尽管光学系统必须要缩小为原来的1/10，才能用激光冷却芯片上的原子，但该实验是“说明这是可以做到的原理证明”。他说:“最终，光学制备系统会更小、更易使用，并能让需要激光冷却的技术在实验室之外存在。”