近日，南方科技大学材料科学与工程系副教授李贵新课题组与英国伯明翰大学、德国帕德博恩大学等机构合作在用于冷原子产生的超构表面光学芯片方面取得最新进展，相关成果以“A Dielectric Metasurface Optical Chip for the Generation of Cold Atoms”为题发表在Science Advances杂志。
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一个理想平台。制备基于冷原子的量子器件通常需要使用激光冷却和俘获技术来制备冷原子气体，例如，对于热的气相原子，我们通常可以使用磁光阱 (magneto-optical trap, MOT) 技术进行冷却和捕获。标准的MOT装置通常需要使用三对正交并且具有特定圆偏振的反向传播的激光束。然而，用于传输激光束的复杂光学系统和产生正确圆偏振态所需的偏振光学器件是实现紧凑和鲁棒性光学系统的一个重要障碍。因此，基于金字塔形装置、光栅和棱镜的磁光阱等技术被逐渐提出并用于集成的冷原子量子实验系统和器件。这些新型的基于单束激光的系统极大增强了冷原子系统的鲁棒性和稳定性，简化了激光光束的传输系统，在减少不同激光束之间的激光功率和偏振的相对波动方面亦有重要作用，这同样也是传统MOT系统的重要考量因素。尽管此前的单光束MOT系统已有很大发展，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，限制了相关技术在量子传感器领域的应用。
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。近十年，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、高维纠缠光源等物理现象和器件。
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。
该论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且非常有前景的技术路径。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。该研究不仅为光学超构表面的应用开辟了新方向，也极大地改善了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。
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：基于介质超构表面光学芯片的磁光阱性能。(A) 捕获的原子数随激光失谐的变化关系，其中每条曲线对应固定的激光强度，每个数据点是五个实验结果的平均值，因此统计上的不确定性远小于绘图标记。在共振以下约10MHz的失谐处捕获的原子数达到峰值，距离87Rb跃迁相差约两个线宽。线圈电流为4.4A时，捕获的原子数约107。(B) 经过磁光阱后，87Rb原子云在不同膨胀时间下的吸收图像。(C) 拟合87Rb原子云半径在轴向（圆形）和径向（三角形）上与膨胀时间t的关系。蓝色虚线和红色实线分别拟合了经过磁光阱和光学粘团后的原子云膨胀。(D) 经过光学粘团后不同膨胀时间下87Rb原子云的吸收图像。
英国伯明翰大学朱凌霄博士、南科大材料系刘萱博士、德国帕德博恩大学Basudeb Sain博士及英国伯明翰大学王梦瑶博士为论文的并列第一作者，李贵新和英国伯明翰大学连育宏博士为论文通讯作者。论文作者包括伯明翰大学Kai Bongs教授、张霜教授，德国帕德博恩大学Thomas Zentgraf 教授等。南科大量子科学与工程研究院研究助理教授邓俊鸿、材料系高级研究学者李敬辉、博士生唐宇涛在该研究中亦作出了重要贡献。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等项目的支持。
文章链接：
https://advances.sciencemag.org/content/6/31/eabb6667
供稿：材料科学与工程系
通讯员：周斌
编辑：苗雪宁
