近日，光学与电子信息学院张诚教授、刘泽阳讲师研究团队联合中国科学院精密测量科学与技术创新研究院刘小赤研究员团队和英国剑桥大学Amit Agrawal教授团队，提出了一种由平面光学元件与平面磁场元件构成的小尺寸、轻量化、低功耗的磁光阱（Magneto-Optical Trap，MOT）系统，为小型化冷原子系统的集成与规模化制造提供了新的技术路径。相关研究成果以“Low-SWaP magneto-optical trap enabled by planar photonic and magnetic components”为题发表在Science Advances期刊。华中科技大学光学与电子信息学院博士研究生高豪与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院博士研究生朱雨濛为论文共同第一作者，张诚教授、刘小赤研究员和刘泽阳讲师为论文共同通讯作者。华中科技大学为该工作第一完成单位。
冷原子系统是量子计算、量子传感及精密测量等领域的重要物理平台。磁光阱利用激光散射力和四极磁场对原子进行冷却与俘获，因其结构成熟、捕获效率高、适用性强，已成为当前应用最为广泛的技术之一。光栅磁光阱（Grating MOT, GMOT）利用平面衍射光栅芯片将单束入射光分束并形成多束交汇冷却光，从而省去了传统磁光阱中多束冷却光的分束及复杂光路对准流程。然而，GMOT要求入射光具有圆偏振态和均匀的光强分布，现有系统仍需使用四分之一波片和透镜组对线偏振高斯光束进行偏振转换和扩束，并依赖反亥姆霍兹线圈产生磁场。这些光学和磁场元件增加了系统的体积、重量和功耗，限制了GMOT的进一步小型化。
针对上述问题，研究团队从对光场和磁场的调控两方面对GMOT进行平面化设计，构建了由多功能超构表面、光栅芯片和平面线圈芯片组成的Low-SWaP（Size, Weight and Power，即尺寸、重量和功耗）磁光阱架构。
传统光栅磁光阱架构与本项目提出的基于平面化元件的Low-SWaP磁光阱架构的对比
在光场调控部分，研究团队研制了一种多功能超构表面，将传统系统中的光束整形和偏振调控功能集成到单个平面光学器件中。该器件工作于铷原子（87Rb）对应的780 nm波长，可将线偏振高斯光束直接转换为圆偏振平顶光束，并使光束截面与光栅芯片的尺寸相匹配。实验产生的平顶光束光强平坦度达到78.58%，圆偏振度达到98.64%。相比高斯光束，平顶光束能够在光栅芯片范围内提供更均匀的光强分布，使入射光与衍射光形成更加平衡的散射力，同时提高照射到光栅芯片上的激光能量利用率。
在磁场调控部分，研究团队设计并制备了一种厚度仅为2 mm的平面线圈芯片。该芯片由10层共面环形线圈堆叠构成，能够在0.56 W功耗下产生11.7 Gs/cm的磁场梯度，满足87Rb原子磁光阱的工作要求。传统反亥姆霍兹线圈产生磁光阱所需的磁场梯度通常需要数十瓦功率。平面线圈芯片不仅降低了功耗，其平面形态也更便于与光栅芯片集成。
研究团队进一步在该系统中开展了87Rb原子冷却与俘获实验。在100 mW入射光功率下，系统最多可俘获（8.15 ± 0.15）×106个87Rb原子，俘获原子数最高达到采用扩束高斯光束的传统GMOT系统的3.5倍。按照核心元件估算，该方案中光学元件的体积和重量均降至传统方案的约十分之一；磁场元件的体积和重量则分别降至约千分之一和百分之一。实验结果表明，该平面化方案在降低系统尺寸、重量和功耗的同时，提高了冷原子俘获性能。
传统光栅磁光阱系统与基于平面化元件的Low-SWaP磁光阱系统对87Rb原子的俘获结果对比
该研究工作将光束整形和偏振调控，以及四极磁场产生功能分别集成到多功能超构表面和平面线圈芯片中，克服了传统磁光阱系统对分立的三维光学和磁场元件的依赖，可为小型化或芯片级原子钟、可部署原子干涉仪以及空间量子仪器等提供新的实现方案。
该工作被Science Advances选为当期三个重点推介工作之一，并在期刊首页顶部显著位置展示，以“Planar design enables high-performance atom trap（平面化设计赋能高性能原子俘获）”为题进行重点推介。
本研究得到国家自然科学基金重点项目、面上项目和青年项目，中国科学院前瞻战略先导专项，以及华中科技大学与剑桥大学海外合作科研种子基金项目等资助。
