纳米尺度的碱金属原子气室

碱金属原子气室是量子精密测量和量子传感的核心，气室的尺寸大小通常直接决定了测量的空间分辨率。近年来，随着量子精密测量仪器集成化、小型化的发展要求，利用微纳加工工艺制备微小原子气室成为了减小测量装置体积的重要途径。近日，来自英国和德国的研究小组合作，提出了一种设计和加工包含有亚微米甚至纳米尺度微结构的碱金属原子气室的方法，并验证了利用该气室开展量子精密测量的两种可行途径，相关研究成果发表在《Physical Review Applied》期刊上。

       该研究团队采用激光光刻、反应离子刻蚀（RIE）、光学接触键合（OCB）等工艺手段，设计并加工了一种包含有数条深度与宽度在400nm-5000nm的石英玻璃凹槽结构，将该结构与储存有碱金属的硼硅酸盐容器连接并密封组成原子气室。同时，利用氧化铟锡（ITO）薄膜作为加热介质，以钛及金镀层作为电触点，克服了传统气室加热装置体积大的缺点，实现了石英玻璃空腔原子气室及碱金属容器的独立加热与控温。通过改变石英空腔结构与所连接碱金属容器的热梯度方向，使得碱金属原子均匀“注入”各纳米-微米尺度凹槽，从而完成碱金属气室的制备。经上述工艺路线制备的纳米尺度微结构气室，在经历多次室温至180℃的热循环作用下，仍具有超过1年的使用寿命。

该团队分别采用全内反射荧光成像（TIRF）和双光子荧光显微成像（TPFM）两种探测机制，探测微结构内的单个或有限数量的碱金属原子发出的微弱信号，并在微米区域内实现了铷原子超精细能级的亚多普勒分辨成像。该方法将为微米级的时间频率、磁场、惯性精密测量芯片提供了一种可行技术途径，使得在室温环境下开展单原子量级精密测量与操控成为可能。

       论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.0340542