1. Введение

Точность квантовых сенсоров на холодных атомах растёт с числом атомов в ансамбле как 1/√N [3]. Для компактных переносимых приборов перспективна технология атомного чипа [1; 8]: микропроводы на подложке создают градиенты магнитного поля, необходимые для магнито-оптической и магнитной ловушек. Критичным этапом подготовки ансамбля является первичная МОЛ, в которой требуется захватить порядка 10⁸ атомов.

Цель настоящей работы — исследовать способы увеличения числа атомов в зоне атомного чипа на этапе первичной МОЛ. Для загрузки используется источник низкоскоростного пучка (LVIS), обеспечивающий холодный поток атомов в камеру чипа [4; 9].

2. Методы

2.1 Магнито-оптическая ловушка и LVIS

МОЛ сочетает оптическую патоку (шесть встречных лазерных лучей с красной отстройкой) с градиентом магнитного поля [6]. LVIS представляет собой МОЛ с отверстием в одном из зеркал: дисбаланс сил выводит холодные атомы в виде направленного пучка со скоростью порядка 10–15 м/с (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема LVIS. Белым обозначены зеркала, серым — квадрупольные катушки.

2.2 Атомный чип

Атомный чип формирует магнитную ловушку токами в микропроводах [1]. Атомы 87Rb в состоянии |F = 2, mF = 2⟩ удерживаются в минимуме поля (слабополевое состояние). В используемой конфигурации применяются широкая U-дорожка для МОЛ и Z-провод для магнитной ловушки (рис. 2, 3). Широкая U-конфигурация позволяет обойтись без дополнительных квадрупольных катушек внутри вакуумной камеры [6]. Шесть лазерных лучей МОЛ формируют стандартную геометрию; два луча отражаются от поверхности чипа под углом 45°.

(a) Атомный чип в установке

(b) Расположение охлаждающих лучей

Рис. 2. Атомный чип для охлаждения 87RbРис. 3. Конфигурации проводов на атомном чипе: U- и Z-дорожки [8].

Для локализации в МОЛ требуется градиент поля порядка 15 Г/см, что реализуется токами до 10 А в проводах чипа. Зона захвата атомов удалена от поверхности чипа на расстояние около 4 мм, что снижает влияние поверхностных шумов [2].

3. Экспериментальная часть

Экспериментальная установка включает камеру с атомным чипом, зону LVIS и фокусирующий 2D-МОЛ (рис. 4). Для загрузки атомов в ловушку использовался LVIS вместо паров комнатной температуры: предварительно охлаждённый пучок обеспечивает более высокую скорость захвата и меньшее ухудшение вакуума в камере чипа [9].

Рис. 4. Общая схема вакуумной установки: 1 — камера с атомным чипом; 2 — зона LVIS; 3 — фокусирующий 2D-МОЛ; 5 — турбомолекулярный насос; 6 — ион-геттерный насос; 7 — камера для детекции.

Число атомов в потоке и в ловушке определялось по флуоресценции [7].

3.1 Модернизация лазерной системы

В первоначальной схеме основной и перекачивающий лазеры через оптоволокно делили мощность между LVIS и 3D-МОЛ на чипе. На выходе из волокна оставалось около 100 мВт (при 200 мВт на входе), при типичных требованиях LVIS к мощности порядка 500 мВт [4]. Дополнительно для LVIS и 3D-МОЛ нужны разные частотные отстройки [6], что затрудняет использование одного лазерного канала.

Измеренный поток при такой схеме не превышал 10⁷ ат/с (рис. 6,а), что на два порядка ниже характерных значений [4]. Решением стало выделение отдельного лазера для LVIS, размещённого на оптической плите рядом с установкой без передачи через волокно. Мощность на LVIS выросла до 500 мВт (рис. 5).

Рис. 5. Обновлённая лазерная схема с отдельным лазером для LVIS.

После модернизации пиковый поток достиг 2 × 10⁹ ат/с при отстройке 31 МГц (рис. 6,б), что согласуется с данными других групп [4; 5]. При высоких мощностях наблюдался тепловой нагрев, превышающий охлаждающую силу LVIS.

(а) До модернизации

(б) После модернизации

Рис. 6. Зависимость потока атомов от частоты отстройки: (а) до модернизации, (б) после.

Скоростное распределение измерено методом лазерного торможения со спектроскопией насыщенного поглощения (рис. 7).

Рис. 7. Скоростное распределение атомов из LVIS; v0 = 14,2 м/с, FWHM = 3,8 м/с.

3.2 Охлаждение вблизи атомного чипа

В U-МОЛ на чипе захвачено до 10⁸ атомов за 15 с загрузки (рис. 8). Затем атомы перегружаются в узкую U-дорожку, охлаждаются в оптической патоке до 41 мкК и переводятся в магнитную ловушку на Z-проводе чипа. Число атомов на этапе субдоплеровского охлаждения в 10 раз меньше начального; время удержания в магнитной ловушке превышает 100 мс.

Рис. 8. Облако из 10⁸ атомов в широкой U-МОЛ (метод абсорбции).

4. Заключение

Модернизация источника холодных атомов (отдельный лазер для LVIS) увеличила поток в 100 раз, до 2 × 10⁹ ат/с. В первичной МОЛ на атомном чипе достигнуто 10⁸ атомов — в 10 раз больше, чем до оптимизации загрузки. Полученные параметры пучка (14,2 м/с, FWHM 3,8 м/с) и числа атомов соответствуют требованиям для последующих этапов охлаждения и магнитной ловушки на чипе.