原子晶片上的玻色-愛因斯坦凝聚體在我國誕生

    11月26日，由中科院上海光機所量子光學重點實驗室王育竹院士領導的「973」冷原子系綜量子信息存儲技術-原子晶片研究小組實現了我國第一個原子晶片上的玻色-愛因斯坦凝聚體(BEC)。實現晶片BEC是「973」項目的主要指標，也是冷原子研究和量子信息存儲技術研究的重大標誌性進展。國際上已有多個國家擁有了晶片BEC，但在亞洲，我國是第二個實現晶片BEC的國家。目前，國內尚無實現晶片BEC的報導，本項研究結果為國內首例。

    隨著科學技物理術的發展，超冷原子介質在超高精度原子頻率標準、原子幹涉儀、量子信息存儲和信息處理等方面獲得了重要的應用。但是獲得超冷原子氣體和BEC凝聚體的實驗裝置過於複雜和龐大，而且價格十分昂貴，在一定程度上阻礙了向應用技術的發展。因此，研製小型化的冷原子實驗裝置(即原子晶片實驗裝置)成為國際上冷原子應用技術研究的重要發展方向。原子晶片是利用成熟的半導體製作工藝和MEMS技術，將磁場系統和光學系統集成到一塊矽基底晶片上。利用表面電流產生的近表面梯度磁場形成晶片原子磁阱，進而實現集成化的冷原子實驗裝置。晶片磁阱對原子的束縛非常緊，蒸發冷卻時可以快速實現BEC相變，原子晶片不僅提高了冷原子裝置的穩定性、可靠性 和便攜性，而且能夠實現一些宏觀冷原子裝置所不能實現的功能。

    2003年在國家自然科學基金委和科技部的支持下成立了原子晶片組，承擔自然科學基金重點課題「超冷原子和BEC物理性質研究」和「973」冷原子系綜量子信息存儲研究。該小組是由四位博士、碩士研究生組成的青年研究組，他們一切從零開始，建立了我國第一套集光、機、電為一體的原子晶片實驗裝置，包括超高真空系統、光學系統、雷射穩頻系統、外磁場系統、高分辯超冷原子成像系統和電腦程式控制系統等等。提出和設計了具有創新學術思想的H型靜磁阱晶片和高頻勢阱晶片。他們與浙江大學物理系光學所合作，利用半導體微加工技術和我所的鍍膜技術，它們成功地研製出國內第一塊靜磁阱原子晶片和高頻勢阱晶片。他們利用晶片曾進行了雷射冷卻氣體原子、晶片表面蒸發冷卻氣體原子、磁光阱囚禁、原子波導和超冷原子團分裂等研究等，並在此基礎上開始了晶片BEC研究。實現BEC相變對實驗條件的要求極為苛刻，他們優化了各個部件的設計和優化了各個實驗環節，並利用高頻蒸發冷卻技術，使超冷原子氣體的溫度冷卻到300納K，實現了BEC相變，凝聚體的原子數為3000個，與國際同類實驗相同。給出了BEC相變的證據，即當凝聚體從磁阱中下落時，在自由膨脹的過程中凝聚體的縱橫比旋轉900，這是相變的判據。

    上海光機所量子光學實驗室繼實現國內首個磁阱BEC後，又實現了首個晶片BEC，取得了BEC研究的又一重大進展。BEC的實現為量子信息存儲、量子信息「複印」和量子路由器研究打下基礎，為BEC的更廣泛應用打開了大門。