Voor een niet-fysicus, een "atomaire bundelcollimator" klinkt misschien als een phaser die mystieke deeltjes afvuurt. Dat is misschien niet de slechtste metafoor om een ​​technologie te introduceren die onderzoekers nu hebben verkleind, waardoor het waarschijnlijker is dat het ooit in handheld-apparaten terechtkomt.

Vandaag, atomaire bundelcollimators worden meestal gevonden in natuurkundige laboratoria, waar ze atomen uitschieten in een straal die exotische kwantumverschijnselen produceert en die eigenschappen heeft die nuttig kunnen zijn in precisietechnologieën. Door collimators te verkleinen van de grootte van een klein apparaat om op een vingertop te passen, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology willen de technologie beschikbaar stellen aan ingenieurs die vooruitstrevende apparaten zoals atoomklokken of versnellingsmeters, een onderdeel gevonden in smartphones.

"Een typisch apparaat dat je hieruit zou kunnen maken, is een gyroscoop van de volgende generatie voor een nauwkeurig navigatiesysteem dat onafhankelijk is van GPS en kan worden gebruikt wanneer je buiten het satellietbereik bent in een afgelegen gebied of in de ruimte reist, " zei Chandra Raman, een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech's School of Physics en een co-hoofdonderzoeker van het onderzoek.

Het onderzoek werd gefinancierd door het Office of Navy Research. De onderzoekers publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Natuurcommunicatie op 23 april 2019.

Dit is wat een collimator is, een deel van het kwantumpotentieel in atomaire bundels, en hoe het miniatuur collimatorformaat zou kunnen helpen atomaire bundels vorm te geven aan nieuwe generaties technologie.

Zak atomair jachtgeweer

"Gecollimeerde atoombundels bestaan ​​al tientallen jaren, "Raman zei, "Maar momenteel collimators moeten groot zijn om precies te zijn."

De atoomstraal begint in een doos vol atomen, vaak rubidium, verhit tot een damp zodat de atomen chaotisch rondzingen. Een buis tikt in de doos, en willekeurige atomen met de juiste baan schieten in de buis als pellets die de loop van een jachtgeweer binnenkomen.

Als pellets die een jachtgeweer verlaten, de atomen verlaten het uiteinde van de buis en schieten redelijk recht, maar ook met een willekeurige spray van atomair schot dat onder scheve hoeken vliegt. In een atoomstraal, die spray produceert signaalruis, en de verbeterde collimator-on-a-chip elimineert het meeste voor een nauwkeuriger, bijna perfect evenwijdige bundel atomen.

De bundel is veel scherper en zuiverder dan de bundels die afkomstig zijn van bestaande collimators. De onderzoekers willen ook dat hun collimator experimentele natuurkundigen in staat stelt om gemakkelijker complexe kwantumtoestanden te creëren.

Niet-aflatende traagheidsmachine

Maar meer onmiddellijk, de collimator stelt Newtoniaanse mechanica in die kan worden aangepast voor praktisch gebruik.

De verbeterde stralen zijn stromen van niet aflatende traagheid omdat, in tegenstelling tot een laserstraal, die is gemaakt van massaloze fotonen, atomen hebben massa en dus momentum en traagheid. Dit maakt hun bundels potentieel ideale referentiepunten in bundelgestuurde gyroscopen die helpen bij het volgen van beweging en veranderingen in locatie.

De huidige gyroscopen in GPS-vrije navigatieapparatuur zijn nauwkeurig op de korte termijn, maar niet op de lange termijn, wat betekent dat ze zo vaak opnieuw moeten worden gekalibreerd of vervangen, en dat maakt ze minder handig, zeggen, op de maan of op Mars.

"Conventionele instrumenten op chipschaal gebaseerd op MEMS-technologie (micro-elektromechanische systemen) hebben in de loop van de tijd last van drift door verschillende spanningen, " zei co-hoofdonderzoeker Farrokh Ayazi, die Ken Byers Professor is in Georgia Tech's School of Electrical and Computer Engineering. "Om die drift te elimineren, je hebt een absoluut stabiel mechanisme nodig. Deze atoomstraal creëert dat soort referentie op een chip."

Quantum verstrengelingsstraal

Warmte-geëxciteerde atomen in een bundel kunnen ook worden omgezet in Rydberg-atomen, die een overvloed aan kwantumeigenschappen bieden.

Als een atoom voldoende energie heeft, het buitenste in een baan om de aarde draaiende elektron stoot zo ver uit dat het atoom ballonnen in grootte heeft. Zo ver in een baan om de aarde met zoveel energie, dat buitenste elektron zich gedraagt ​​als het enige elektron van een waterstofatoom, en het Rydberg-atoom gedraagt ​​zich alsof het maar één enkel proton heeft.

"Je kunt bepaalde soorten kwantumverstrengeling met meerdere atomen ontwikkelen door Rydberg-toestanden te gebruiken, omdat de atomen veel sterker met elkaar interageren dan twee atomen in de grondtoestand, ' zei Raman.

"Rydberg-atomen kunnen ook toekomstige sensortechnologieën bevorderen omdat ze gevoelig zijn voor fluxen die van kracht zijn of in elektronische velden die kleiner zijn dan een elektron in schaal, "Zei Ayazi. "Ze kunnen ook worden gebruikt bij de verwerking van kwantuminformatie."

Gelithografeerde siliciumgroeven

De onderzoekers bedachten een verrassend handige manier om de nieuwe collimator te maken, wat fabrikanten zou kunnen aanmoedigen om het te gebruiken:ze snijden lang, extreem smalle kanalen door een siliciumwafel die evenwijdig loopt aan het platte oppervlak. De kanalen waren als geweerlopen naast elkaar opgesteld om een ​​reeks atoomstralen uit te schieten.

Silicium is een uitzonderlijk glad materiaal waar de atomen doorheen kunnen vliegen en wordt ook gebruikt in veel bestaande micro-elektronische en computertechnologieën. Dat opent de mogelijkheid om deze technologieën op een chip te combineren met de nieuwe miniatuurcollimator. Lithografie, die wordt gebruikt om bestaande chiptechnologie te etsen, werd gebruikt om de kanalen van de collimator nauwkeurig te snijden.

De grootste innovatie van de onderzoekers verminderde de shotgun-achtige spray aanzienlijk, d.w.z. de signaalruis. Ze sneden twee gaten in de kanalen, het vormen van een uitgelijnde cascade van drie sets van parallelle reeksen vaten.

Atomen die onder scheve hoeken vliegen, springen uit de kanalen bij de openingen en degenen die redelijk parallel vliegen in de eerste reeks kanalen gaan door naar de volgende, dan herhaalt het proces zich van de tweede naar de derde reeks kanalen. Dit geeft de atomaire bundels van de nieuwe collimator hun uitzonderlijke rechtheid.