冷原子束的静磁聚焦及其芯片原子透镜

【摘要】：本文首先简单介绍了原子透镜的研究背景及其最新的进展情况，就形成各种原子透镜的基本原理及其性质和特点进行了分类介绍和综述，并对不同原子透镜进行了详细的比较。其次，讨论了原子透镜在原子显微镜、原子探针、原子刻印、光栅制作等领域中的应用前景。此外，还介绍了原子芯片的实验研究情况及其最新进展。 本文提出了两种新型的原子透镜方案。一种是利用L型载流导线形成方形线圈及其列阵来产生可控制的微型原子磁透镜的新方案。在方形线圈中，由于导线电流的特殊排列，在导线周围的空间内产生了类似于永久四极磁铁形成的四极磁场分布，经过理论上的分析和计算，发现该装置可以实现原子透镜的功能。接着，对~(87)Rb原子云和冷原子束分别通过单个微型磁透镜和透镜列阵的动力学过程进行了经典的Monte-Carlo模拟，并且对原子的轨迹进行了追踪，获得了焦距、焦斑半径与电流的函数关系，证明了可以通过改变导线中的电流来实现对微型磁透镜焦距以及焦斑半径的连续调谐。 另一种是利用圆形载流导线形成可控制的微型原子磁透镜及其列阵的新方案。首先，利用单个圆形载流导线形成单个微型磁透镜，计算了聚焦磁场的强度及其梯度的空间分布，并且模拟了单个圆形载流导线对~(87)Rb原子束的聚焦过程。然后，我们将它推广到一维和二维列阵，计算了1D和2D圆形导线列阵的磁场强度和梯度分布，并模拟了2D圆形载流导线列阵对冷原子束的聚焦过程。最后，讨论了在实验上实现微型磁透镜及其列阵的可行性，并讨论了它们在原子芯片上的潜在应用，例如将冷原子装载到微型的阱或者是物质波波导中，甚至可以将超冷原子或BEC装载进蓝失谐中空光束构成的2D光学晶格中。而且，本方案还可以用于实现二维的原子刻印。