La nouvelle technologie Cold Atom Source permet des appareils quantiques portables

Cold Atom Source Design
Conception de source d'atomes froids

Les chercheurs ont conçu une source d’atomes froids qui utilise quatre miroirs disposés comme une pyramide et placés de manière à leur permettre de glisser les uns sur les autres comme les pétales d’une fleur. Cela crée un trou réglable au sommet de la pyramide à travers lequel les atomes froids sont expulsés. Les images montrent un rendu. Crédit : Christopher Foot, Université d’Oxford

Les avancées technologiques pourraient permettre des horloges atomiques spatiales, améliorant les communications et la navigation GPS.

Bien que la technologie quantique se soit avérée précieuse pour un chronométrage très précis, rendre ces technologies pratiques pour une utilisation dans une variété d’environnements reste un défi majeur. Dans une étape importante vers les dispositifs quantiques portables, les chercheurs ont développé un nouveau système froid à haut flux et compact.atome source à faible consommation d’énergie qui peut être un élément clé de nombreuses technologies quantiques.

“L’utilisation de technologies quantiques basées sur des atomes refroidis par laser a déjà conduit au développement d’horloges atomiques utilisées pour le chronométrage au niveau national”, a déclaré Christopher Foot, chef de l’équipe de recherche de l’Université d’Oxford au Royaume-Uni. “Les horloges précises ont de nombreuses applications dans la synchronisation des communications électroniques et des systèmes de navigation tels que le GPS. Les horloges atomiques compactes qui peuvent être déployées plus largement, y compris dans l’espace, offrent une résilience aux réseaux de communication, car les horloges locales peuvent maintenir un chronométrage précis même en cas de perturbation du réseau.

Dans la revue The Optical Society (OSA) Optique Express, S. Ravenhall, B. Yuen et Foot décrivent les travaux réalisés à Oxford, au Royaume-Uni, pour démontrer une conception entièrement nouvelle d’une source d’atomes froids. Le nouvel appareil convient à une large gamme de technologies à atomes froids.

« Dans ce projet, nous avons pris une conception que nous avons conçue à des fins de recherche et l’avons développée en un appareil compact », a déclaré Foot. « En plus des applications de chronométrage, les dispositifs compacts à atomes froids peuvent également être utilisés pour des instruments de cartographie gravimétrique, de navigation inertielle et de communications et pour étudier des phénomènes physiques dans des applications de recherche telles que la matière noire et ondes gravitationnelles. “

Refroidir les atomes avec la lumière

Bien que cela puisse sembler contre-intuitif, la lumière laser peut être utilisée pour refroidir des atomes à des températures extrêmement basses en exerçant une force qui ralentit les atomes. Ce processus peut être utilisé pour créer une source d’atomes froids qui génère un faisceau d’atomes refroidis par laser dirigé vers une région où des mesures de précision pour le chronométrage ou la détection d’ondes gravitationnelles, par exemple, sont effectuées.

Photo source d'atomes froids

Les chercheurs ont conçu une source d’atomes froids qui utilise quatre miroirs disposés comme une pyramide et placés de manière à leur permettre de glisser les uns sur les autres comme les pétales d’une fleur. Cela crée un trou réglable au sommet de la pyramide à travers lequel les atomes froids sont expulsés. Cette image représente l’appareil. Crédit : Christopher Foot, Université d’Oxford

Le refroidissement par laser nécessite généralement un agencement compliqué de miroirs pour éclairer les atomes dans le vide dans toutes les directions. Dans le nouveau travail, les chercheurs ont créé une conception complètement différente qui utilise seulement quatre miroirs. Ces miroirs sont disposés comme une pyramide et placés de manière à leur permettre de glisser les uns sur les autres comme les pétales d’une fleur pour créer un trou au sommet de la pyramide à travers lequel les atomes froids sont expulsés. La taille de ce trou peut être ajustée pour optimiser le flux d’atomes froids pour diverses applications. L’agencement en pyramide réfléchit la lumière d’un seul faisceau laser entrant qui pénètre dans la chambre à vide à travers un seul hublot, simplifiant ainsi considérablement l’optique.

Les miroirs, qui sont situés à l’intérieur de la région sous vide de la source d’atomes froids, ont été créés en polissant le métal et en appliquant un revêtement diélectrique. « L’adaptabilité de cette conception est une fonctionnalité entièrement nouvelle », a déclaré Foot. « La création d’une pyramide à partir de quatre blocs de métal polis identiques simplifie l’assemblage et peut être utilisée sans le mécanisme de réglage. »

De meilleures mesures avec plus d’atomes

Pour tester leur nouvelle conception de source d’atomes froids, les chercheurs ont construit un équipement de laboratoire pour caractériser pleinement le flux d’atomes émis à travers un trou au sommet de la pyramide.

“Nous avons démontré un flux exceptionnellement élevé d’atomes de rubidium”, a déclaré Foot. « La plupart des appareils à atomes froids prennent des mesures qui s’améliorent avec le nombre d’atomes utilisés. Des sources avec un flux plus élevé peuvent ainsi être utilisées pour améliorer la mesure précision, augmentez le rapport signal/bruit ou aidez à obtenir des bandes passantes de mesure plus larges. »

Les chercheurs disent que la nouvelle source est adaptée à une application commerciale. Parce qu’il comporte un petit nombre de composants et peu d’étapes d’assemblage, il serait simple d’augmenter la production pour produire plusieurs copies.

Référence : « High-flux, ajustable, compact cold-atom source » par Sean Ravenhall, Benjamin Yuen et Chris Foot, 21 juin 2021, Optique Express.
DOI : 10.1364 / OE.423662

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