DE112019003038T5

DE112019003038T5 - Atomchip für ultrakalte atomvorbereitung und -laden in eine evaneszenzfeldfalle eines integrierten lichtwellenleiters

Info

Publication number: DE112019003038T5
Application number: DE112019003038.8T
Authority: DE
Inventors: Seth Charles Caliga
Original assignee: SRI International Inc; Stanford Research Institute
Current assignee: SRI INTERNATIONAL, MENLO PARK, US
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2019-06-13
Publication date: 2021-03-25
Also published as: JP2021527329A; US20210190496A1; US11549811B2; JP7417550B2; WO2019241544A1

Abstract

Es wird eine Ausgestaltung eines integrierten Atomchips erörtert, der zur Messung von Atomen verwendet wird. Eine oder mehrere magnetische Fallen, die mit einem Lichtwellenleiter integriert sind, der auf den integrierten Atomchip aufgedruckt ist, erleichtern das Laden der Atome in eine optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters, um die Atome zu messen. Die zwei oder mehr Kühlstufen werden verwendet, um die Atome schrittweise von einer Anfangstemperatur auf eine Endtemperatur der Atome abzukühlen, wenn sie modenangepasst und in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters geladen werden.

Description

QUERVERWEIS
Die vorliegende Anmeldung beansprucht den Vorteil und die Priorität gemäß 35 USC 119 der am 15. Juni 2018 eingereichten provisorischen US-Patentanmeldung SN 62/685631 mit dem Titel „Atom chip for ultracold atom preparation and loading into an integrated optical waveguide evanescent field trap“, die hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme eingeschlossen ist.
URHEBERRECHTSHINWEIS
Ein Teil der Offenbarung der vorliegenden Patentanmeldung enthält urheberrechtlich geschütztes Material. Der Urheberrechtsinhaber hat keine Einwände gegen irgendeine Faksimile-Reproduktion der Software-Engine und ihrer Module, wie sie in der Patentdatei oder dem Patentregister des United States Patent & Trademark Office erscheint, behält sich aber ansonsten alle Urheberrechte vor.
TECHNISCHES GEBIET
Ausgestaltungen beziehen sich allgemein auf ein System zum Einfangen, Kühlen und Laden neutraler Atome in einer modenabgestimmten Weise. Insbesondere bezieht sich ein Aspekt einer Ausgestaltung auf ein System, das magnetische Fallen und einen Lichtwellenleiter in einen integrierten Atomchip integriert, um ultrakalte Atome effizient in eine hochwertige Lichtwellenleiterfalle zu laden.
HINTERGRUND
In der Standardpraxis könnte eine magneto-optische Falle (MOT) in der Nähe eines Lichtwellenleiters verwendet werden, aber es gibt fundamentale Grenzen für die nächste Annäherung einer MOT an den Wellenleiter. Außerdem führten frühere Ansätze zu einer unzureichenden optischen Leistungskapazität innerhalb des Wellenleiters aufgrund von schlechter Wärmeableitung und Wellenleiterdefekten.
ZUSAMMENFASSUNG
Es können hierin verschiedene Verfahren, Vorrichtungen und Systeme zum Einfangen von Atomen bereitgestellt werden. In einer Ausgestaltung misst ein integrierter Atomchip Atome. Eine oder mehrere magnetische Fallen, die mit einem auf den integrierten Atomchip aufgedruckten Lichtwellenleiter integriert sind, erleichtern das Laden von Atomen in eine optische Evaneszenzfeldfalle eines Lichtwellenleiters, um die Atome zu messen. Zwei oder mehr Kühlstufen kühlen die Atome schrittweise von einer Anfangstemperatur auf eine Endtemperatur der Atome ab, wenn sie modenangepasst und in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters geladen werden.
Diese und viele andere Merkmale werden erörtert.
Figurenliste

1A zeigt ein Diagramm einer Ausgestaltung eines Beispiels für einen integrierten Atomchip, der zwei oder mehr magnetische Fallen und einen auf den integrierten Atomchip aufgedruckten Lichtwellenleiter zum Messen von Atomen integriert.
1B zeigt eine Ausgestaltung von beispielhaften Wellenleitermustern, die auf einen Wellenleiterchip und einen EFOT-Modenanpassungsdraht aufgedruckt sind.
2A-2C zeigen Graphen eines Beispiels für den Fallenverlauf während der völlig eingeschlossenen Materiewellenerzeugung, Wellenleiterbeladung und Interferometriesequenz im integrierten Atomchip.
3 zeigt ein Diagramm einer Ausgestaltung eines beispielhaften Satzes von integrierten magnetischen Fallenstrukturen, die von links nach rechts von einem lockereren magnetischen Einschluss zu einem engeren magnetischen Einschluss fortschreiten, wenn zunehmend kühlere Atome eingefangen werden.
4 zeigt ein Diagramm einer Ausgestaltung eines Satzes von Wellenleiterstrukturen, die auf die oberste Schicht aufgedruckt sind, um sowohl lineare als auch rotationale Trägheitsmessungen durchzuführen.
5 zeigt ein Diagramm einer Ausgestaltung eines EFOT-Potentials, das gleichmäßig über dem SiN-Wellenleiter gebildet wird, der auf dem Basis-SiO₂ ausgebildet ist.
6 zeigt einen Graph einer Ausgestaltung von Simulationsdetails für den integrierten Atomchip, einschließlich modenangepasster Fallenenergie für die Wellenleiterladefalle und eine optische Evaneszenzfeldfalle mit deren Variation mit dem Abstand vom Fallenzentrum.

Das Design unterliegt zwar verschiedenen Modifikationen, Äquivalenten und alternativen Formen, aber spezifische Ausgestaltungen davon wurden beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden nun im Detail beschrieben. Es ist zu verstehen, dass das Design nicht auf die besonderen offenbarten Ausgestaltungen beschränkt ist, sondern dass im Gegenteil die spezifischen Ausgestaltungen alle Modifikationen, Äquivalente und alternativen Formen abdecken sollen.
BESCHREIBUNG
In der folgenden Beschreibung können zahlreiche spezifische Details wie z. B. Beispiele für bestimmte Datensignale, benannte Komponenten, Anzahl von Drähten usw. dargelegt werden, um ein gründliches Verständnis des vorliegenden Designs zu vermitteln. Für den durchschnittlichen Fachmann wird es jedoch offensichtlich sein, dass das vorliegende Design auch ohne diese spezifischen Details praktiziert werden kann. In anderen Fällen wurden bekannte Komponenten oder Verfahren nicht im Detail, sondern in Form eines Blockdiagramms beschrieben, um das vorliegende Design nicht unnötig zu verschleiern. Ferner können spezifische numerische Hinweise, wie z. B. der erste Draht, gegeben werden. Der spezifische numerische Hinweis soll jedoch nicht als eine buchstäbliche sequentielle Reihenfolge, sondern eher so interpretiert werden, dass sich der erste Draht vom zweiten Draht unterscheidet. Daher können die dargelegten spezifischen Details lediglich beispielhaft sein. Die spezifischen Details können vom Wesen und Umfang des vorliegenden Designs abweichen und dennoch als darin fallend angesehen werden. Der Begriff „gekoppelt“ ist so definiert, dass er entweder eine direkte Verbindung mit der Komponente oder eine indirekte Verbindung mit der Komponente über eine andere Komponente bedeutet.
1A-2 zeigen eine Ausgestaltung von Teilen eines beispielhaften integrierten Atomchips zur Messung von Atomen, der eine oder mehrere magnetische Fallen und einen auf den integrierten Atomchip aufgedruckten Lichtwellenleiter integriert. Der integrierte Atomchip integriert die magnetischen und optischen Komponenten z. B. auf zwei separaten Chips zur Messung von Atomen. Die beispielhaften magnetischen Fallen arbeiten mit einem Lichtwellenleiter zusammen, um ein direktes Einfangen von Atomen im Evaneszenzfeld des Wellenleiters auf demselben integrierten Chip zu erzielen. Bisherige Versuche nutzten bestenfalls externe Einfangfelder, um Atome in der Nähe der Oberfläche eines Lichtwellenleiters zu lokalisieren, die aber nicht direkt durch das Evaneszenzfeld des Wellenleiters eingefangen wurden.
Der beispielhafte integrierte Atomchip integriert zwei oder mehr magnetische Fallen und einen auf den integrierten Atomchip aufgedruckten Lichtwellenleiter, um eine effiziente Atomladung von Atomen in die optische Evaneszenzfeldfalle (EFOT) des Lichtwellenleiters zur Messung von Atomen zu erleichtern.
1A zeigt ein Diagramm einer Ausgestaltung eines beispielhaften integrierten Atomchips 100, der eine oder mehrere magnetische Fallen und einen auf den integrierten Atomchip 100 aufgedruckten Lichtwellenleiter zur Messung von Atomen integriert. Strukturell integriert der integrierte Atomchip 100 die magnetischen und optischen Komponenten auf zwei getrennten Schichten, wie z. B. verschiedenen Chips, zur Messung von Atomen. Der planare Chip vereinigt stromführende Drähte und Siliciumnitrid-Wellenleiter in einem mehrschichtigen Stapel.
Zunächst kann eine Trägerstruktur die Spulen für eine magneto-optische Falle (MOT) haben, um die Atome anfänglich einzufangen und laserzukühlen. Als nächstes kann eine Basisschicht auf der Trägerstruktur mit stromführenden Metallbahnen, zum Beispiel mit Gold- oder Silberdrähten, für ein tiefes und dichtes magnetisches Einfangen der Atome strukturiert werden. Die Gold- oder Silberdrähte führen elektrische Ströme und erzeugen Magnetfelder auf dem Basischip. Die Basisschicht kann auch Metallbahnen für eine Radiofrequenz-(RF)-Atomkühlungsstufe enthalten. Als nächstes enthält eine oberste Schicht auf einem Wellenleiter-(WG)-Chip Muster für einen Lichtwellenleiter in einer koplanaren Struktur zu einer magnetischen Falle, die zum magnetischen Laden der Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters verwendet wird. Die oberste Schicht hat auch eine hochreflektierend beschichtete optische Oberfläche zusammen mit den Mustern des Lichtwellenleiters. Der Lichtwellenleiter kann z. B. mit Si₃N₄ auf SiO₂ auf einem Basis-Si-Substrat konstruiert werden. Die oberste Schicht kann auch einen EFOT-Modenanpassungsdraht aufweisen. Alle diese magnetischen Fallen und der Lichtwellenleiter arbeiten zusammen, um die Atome in einer modenangepassten Weise zu laden. So integriert der integrierte Atomchip 100 magnetische Fallen, eine hochreflektierend beschichtete optische Oberfläche, stromführende Metallbahnen und Muster des Lichtwellenleiters in einer koplanaren Struktur, um neutrale Atome modenangepasst einzufangen, zu kühlen und zu laden.
Die mehrschichtige, integrierte Chip-Architektur kann mindestens zwei Kühlstufen enthalten, die dazu dienen, die Atome von einer Anfangstemperatur, wie z. B. Umgebungstemperatur, auf eine Endtemperatur, wie z. B. eine ultratiefe Temperatur, der Atome abzukühlen, wenn sie in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters geladen werden.
Man beachte, dass die ultrakalten Atome ein Ensemble von Atomen, wie z. B. 87Rb-Atomen, auf einer Temperatur sehr nahe an 0 Grad Kelvin, wie z. B. 1 × 10^-7 Grad Kelvin, sein können. Dieser integrierte Atomchip 100 kann Atome in einem Temperaturbereich von 1 × 10^-3 bis 1 × 10^-12 Grad Kelvin einfangen.
Eine erste Kühlstufe kann Laserkühlung sein, wie z. B. in einer spiegel-magneto-optischen Falle (m-MOT). In der ersten Kühlstufe erfolgt ein anfängliches Einfangen und Kühlen der Atome in der lockeren magnetischen Falle der MOT-Spulen. Dann kann in einer zweiten Einfangstufe ein Muster von elektrischen Bahnen verwendet werden, das auf einer oder mehreren Schichten des integrierten Atomchips 100 ausgebildet ist, um eine magnetische Falle zu erzeugen, wie z. B. eine Z-förmige Drahtfalle. Jede magnetische Falle kann einen Magnetfeldgradienten zum Einfangen von Atomen mit magnetischen Momenten nutzen. Das magnetische Potential wird durch elektrischen Strom gebildet, der durch lithographisch strukturierte Metallbahnen, wie z. B. in Z-Form, auf dem Atomchip fließt. Als nächstes kann eine weitere Kühlstufe eine auf Radiofrequenz (RF) basierende Kühlstufe für die Atome sein. In dieser Kühlstufe werden Radiofrequenzen verwendet, um Atome zu kühlen, die in einem Magnetfeld eingefangen sind, das durch ein Muster von elektrischen Bahnen erzeugt wird, die auf einer oder mehreren Schichten des integrierten Atomchips ausgebildet sind. In der RF-Kühlstufe kann Zwangs-RF-Verdampfungsatomkühlung zur Materiewellenerzeugung erfolgen. Die Metallbahnen können ein RF-Signal führen, um heißere Atome aus der Falle auszustoßen, so dass die verbleibenden magnetisch eingefangenen kühleren Atome zurückbleiben, die in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters geladen werden. Andere beispielhafte RF-Kühlstufen können ein externes RF-Horn oder eine andere externe RF-Spule verwenden. Die RF-Kühlung kann die strukturierten elektrischen Bahnen auf dem Chip für die magnetische Falle ergänzen und/oder diese Kühlstufe ersetzen. Schließlich erfolgt eine Fallenmodenanpassung zum effizienten Laden der ultrakalten Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters.
Die gesamte integrierte Chipstruktur ist in einem Ultrahochvakuumsystem untergebracht. Aufgrund des integrierten Charakters des Atomchips ist das gesamte System von Natur aus für den Betrieb in einem kleinen Formfaktor geeignet. So kann das Laden der optischen Evaneszenzfeldfalle mittels der komprimierten magnetischen Falle mit einem designierten Satz von Atomchip-Fallen (magnetisch und optisch) zu einem Betrieb im kleinen Formfaktor führen. Zusätzlich kann die Tatsache, dass der Chip auf einem Halbleitersubstrat mit einer thermischen Oxidschicht hergestellt wird, ebenfalls zu einem kleinen Formfaktor beitragen. Das Design benötigt hauptsächlich ein Substrat, auf dem Schichten aus Dielektrikum mit Indexkontrast abgesetzt oder aufwachsen gelassen werden können, die sich zu Wellenleitern strukturieren lassen. Die gekühlten Atome, die in der optischen Evaneszenzfeldfalle des Wellenleiters eingefangen sind, können für viele verschiedene Zwecke gemessen werden.
Ein Beispiel für eine mehrschichtige, integrierte Chiparchitektur zur Messung von Atomen kann wie folgt ausgebildet werden. Ein beispielhafter Satz von Quadrupol-Kupferdrähten auf mm-Maßstab in einer Feldspule kann für die spiegel-magneto-optische Falle verwendet werden, um eine anfängliche magnetische Falle auf der Trägerstruktur zu bilden. Ein erster strukturierter Satz von Drähten kann eine Z-förmige Drahtfalle enthalten, aber es können auch andere Muster auf dem Basischip zum magnetische Einfangen und BEC-(Bose-Einstein Condensate)-Bildung verwendet werden. Außerdem können ein oder mehrere der Gold- oder Silberdrähte im µm-Maßstab in dem Drahtsatz ein RF-Signal für zusätzliche Kühlung führen. Ein Oberste-Schicht-Chip kann eine metallische oder dielektrische hochreflektierend (HR) beschichtete Oberfläche, nanofabrizierte Siliciumnitrid-Lichtwellenleiter (Si₃N₄ auf SiO₂ auf Si) und zusätzliche stromführende Drähte haben. Ein EFOT-Modenanpassungsdraht auf dem Wellenleiter-(WG)-Chip kann verwendet werden, um Moden zwischen der optischen Evaneszenzfeldfalle und der letzten magnetischen Falle anzupassen. In diesem Beispiel sind die Linien jedes Lichtwellenleiters auf dem WG-Chip aufgedruckt, der von der rechten Seite hereinkommt und unmittelbar links von den viel größeren Goldlinien der Drähte auf dem Basischip beginnt.
1A zeigt die mehrschichtige, integrierte Chip-Architektur, bei der stromführende Drähte sowohl in einer Basisschicht als auch in einer obersten Schicht integriert sind, wobei eine obere Fläche der obersten Schicht einen oder mehrere Wellenleiter, wie z. B. Siliciumnitrid, aufweist, die alle in einem mehrschichtigen Stapel angeordnet sind.
Die magnetischen Fallen und der Lichtwellenleiter, die auf dem integrierten Atomchip 100 integriert sind, vereinen zwei Techniken auf dem Gebiet der Atomphysik, um ausstehende Beschränkungen von Atomfallen und Wellenleitern anzugehen, nämlich ein effizientes Laden von ultrakalten Atomen in eine hochwertige Lichtwellenleiterfalle zu ermöglichen.
Ein beispielhaftes Atomchip-Design ermöglicht i) ein anfängliches Einfangen und Kühlen von Atomen in einer spiegel-magneto-optischen Falle, ii) eine weitere Zwangs-RF-Verdampfungsatomkühlung für Materiewellenerzeugung und iii) schließlich die wesentliche Fallenmodenanpassung für ein effizientes Laden von Atomen in die optische Evaneszenzfeldfalle eines Lichtwellenleiters. Dieser integrierte Atomchip 100 kann einen Weg zu präziser Atomabtastung innerhalb hochdynamischer Referenzrahmen bieten, mit einem planaren Design, das die Integration in tragbare und kompakte DoD-Plattformen in Sensoren wie Beschleunigungsmesser und Gyroskope ermöglicht. Zudem bietet die EFOT eine starke Atom-Licht-Kopplung, die für Quanteninformationsverarbeitung neutraler Atome erforderlich ist. Die Designmerkmale sind für die Serienfertigung auf Wafer-Ebene förderlich.
Eine Ausgestaltung des Prozesses wie in 1A, 2 und 3 gezeigt besteht im Wesentlichen darin, dass Atome anfänglich in einer spiegel-magneto-optischen Falle eingefangen und gekühlt werden. Diese Atome werden dann optisch in einen magnetisch einfangbaren Zustand gepumpt und in dem magnetischen Potential eingefangen, das durch elektrischen Strom gebildet wird, der durch lithographisch strukturierte Metallbahnen auf dem Atomchip, wie z. B. die Z-förmige Drahtfalle, fließt. Die Atome können weiter abgekühlt werden, um ein Bose-Einstein-Kondensat durch Zwangs-RF-Verdampfung zu bilden. Das magnetische Potential wird dann räumlich komprimiert und verschoben, so dass es die optische Evaneszenzfeldfalle überlappt, die durch ein ausgewogenes Verhältnis von rot und blau detuniertem Licht erzeugt wird, das sich im Lichtwellenleiter ausbreitet, und seinem Fallenvolumen und seiner Krümmung entspricht (siehe 2 und 5). Die Atome werden dann durch Löschen des magnetischen Potentials und Einschalten des Lichts im Wellenleiter in die optische Evaneszenzfeldfalle geladen.
1B zeigt eine Ausgestaltung von beispielhaften Wellenleitermustern 102, die auf einen Wellenleiterchip aufgedruckt sind, und einen EFOT-Modenanpassungsdraht. 1B zeigt eine vergrößerte Ansicht des in 1A gezeigten gestrichelten Quadrats, die die aufgedruckten Linien des Lichtwellenleiters und die versetzte vertikale Goldlinie des EFOT-Modenanpassungsdrahts 105 auf dem Wellenleiterchip zeigt. Die in den auf der obersten Schicht aufgedruckten WG-Linien gezeigten Lichtwellenleitermuster können z. B. für Interferometrie verwendet werden. Der oberste WG-Chip enthält den aufgedruckten Lichtwellenleiter und den EFOT-Modenanpassungsdraht 105 sowie eine hochreflektierend beschichtete Oberfläche.
1B zeigt wiederum eine Ausgestaltung von beispielhaften Wellenleitermustern 102, die auf einen Wellenleiterchip aufgedruckt sind. Beispielsweise befindet sich ein elliptisch geformtes Muster in dem Lichtwellenleiter (z. B. ein Sagnac-Ring), das für ein Gyroskop verwendet werden kann. Das lineare Muster hat lange parallele Pfade, die sich an einem Y-förmigen Schnittpunkt vereinigen und/oder teilen, und kann für Sensoren wie Beschleunigungsmesser verwendet werden.
Man beachte, dass verlustarme (≲dB/cm), hochwertige Lichtwellenleiter als Siliciumnitridrippe auf einem Siliciumwafer mit einer Zwischenschicht aus µm-dickem, thermisch gewachsenem Siliciumdioxid (SiO₂) für das richtige Wellenleiter-Indexprofil und eine minimierte Kopplung mit dem darunter liegenden Silicium hergestellt werden können (siehe 5).
Mit Bezug zurück auf 1B, in einer Ausgestaltung werden die Querschnittsabmessungen des Lichtwellenleiters für die Einmodenausbreitung von geführtem Licht bei gewünschten Wellenlängen gewählt. Die Wellenlängen werden so gewählt, dass ausgewogene anziehende und abstoßende Einfangkräfte auf den Atomen erzielt werden. Das Muster des Wellenleiters kann auf die spezifische Atommessung zugeschnitten werden.
Die Breite des EFOT-Ladedrahts sollte ähnlich wie der Abstand zwischen dem EFOT-Ladedraht und dem EFOT-Lichtwellenleiter sein. So hat eine magnetische Falle mindestens eine erste elektrische Bahn, die so konfiguriert ist, dass sie die Atome magnetisch eng einfängt und die Atome zum Laden in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters vorbereitet, indem bewirkt wird, dass eine Breite der ersten elektrischen Bahn für die letzte magnetische Falle ähnliche Abmessungen (d.h. nahe einer geringen Breite) wie der physische Abstand zwischen dem auf dem integrierten Atomchip aufgedruckten Lichtwellenleiter und der auf dem integrierten Atomchip gebildeten ersten elektrischen Bahn ist (z. B. siehe 1B und 4).
Der integrierte magnetische und optische Atomchip kombiniert die Vorteile von magnetischen Atomchips und Lichtwellenleitern; löst Probleme in Bezug auf das Laden von Atomen auf den Lichtwellenleiter; bietet eine moderate (~10⁵) Atomzahl für eine einfache Atomladung; enge, hochwertige Fallen, um Orientierungsempfindlichkeit nahezu zu eliminieren; Fallenkrümmung ≳10³x Schwerkraft; starke Atom-Licht-Schnittstelle; moderate (cm) atomare Materiewellenpakettrennungen; und eine planare Architektur.
Man beachte, dass Atomsignaldetektion in einer engen Falle nahe der Chip-Oberfläche mittels Standard-MOT-Rückgewinnung und hochauflösender Insitu-Fluoreszenz-Bildgebungsverfahren erzielt werden kann. Das Design kann starke Kopplung zwischen den Atomen in der EFOT und geführten optischen Moden des Lichtwellenleiters zum Extrahieren atomarer Signale aus nahezu resonantem Licht im Lichtwellenleiter nutzen.
2A-2C zeigen Graphen eines beispielhaften Fallenverlaufs während der völlig eingeschlossenen Materiewellenerzeugung, Wellenleiterbeladung und Interferometriesequenz im integrierten Atomchip. 3 zeigt diesen Verlauf ebenfalls visuell. 3 zeigt ein Diagramm einer Ausgestaltung eines beispielhaften Satzes von integrierten magnetischen Fallenstrukturen, die von links nach rechts von einer lockereren magnetischen Kopplung zu einem engeren magnetischen Einschluss verlaufen, wenn zunehmend kühlere Atome eingefangen werden.
Der obere Graph (2A) 210 zeigt, dass es sich bei der MOT-Falle um eine sehr lockere Falle für das anfängliche Einfangen von Atomen handelt. Wie erörtert, erfolgen zunächst Laserkühlung und Einfangen der Atome in der MOT 330. Die Atome werden in einer beispielhaften spiegel-magneto-optischen Falle eingefangen und gekühlt.
Der mittlere Graph (2B) 212 zeigt die strukturierten Metallbahn-Magnetfallen auf der Basisschicht. Die Atome werden eingefangen und gekühlt. Atome werden in einer MOT 330 eingefangen. Dieser Prozess verwendet externe Laserstrahlen und die MOT-Spule in der Chipträgerstruktur. Atome werden dann optisch in einen magnetisch einfangbaren Zustand gepumpt und in die durch den Z-förmigen Draht gebildete magnetische Falle geladen. Atome in der Z-Draht-Falle werden durch Zwangs-RF-Verdampfung gekühlt. Atome werden von der Z-Draht-Falle in die durch den EFOT-Ladedraht gebildete nächste magnetische Falle übertragen. Die EFOT-Ladefalle wird komprimiert und an den Ort der EFOT über dem Lichtwellenleiter verschoben. Atome werden von der magnetischen EFOT-Ladefalle in die optische EFOT übergeben. Dann können Atome in der EFOT gemessen werden. Atomkühlung erfolgt während der MOT-Stufe 330 und der RF-Kühlstufen.
Der untere Graph (2C) 214 zeigt das Laden von Atomen in die optische Falle über die Modenanpassung an die EFOT, um die Atome effizient zu laden. Die magnetische EFOT-Ladefalle wird räumlich komprimiert und verschoben, so dass sie die optische Evaneszenzfeldfalle (EFOT) überlappt, die durch ein ausgewogenes Verhältnis von rot und blau detuniertem Licht erzeugt wird, das sich im Lichtwellenleiter ausbreitet, und ihrem Fallenvolumen und ihrer Krümmung entspricht. Die Atome werden dann durch Löschen des magnetischen Potentials und Einschalten des Lichts innerhalb des Wellenleiters in die optische Evaneszenzfeldfalle geladen. Das Design des Chips kann geändert werden, um die Evaneszenzfeldabklinglänge zu maximieren, um die EFOT weiter von der Oberfläche des Wellenleiters zu schieben.
Materiewelle - EFOT-Beladung
Eine wesentliche, aber fortbestehende Herausforderung für das Gebiet des Einfangens von Atomen in Lichtwellenleiter-Bauelementen ist der Optische-Evaneszenzfeldfalle-Ladeprozess. Der Integrierter-Atomchip-Ansatz erzielt eine erheblich verbesserte Modenanpassung durch die Nutzung dynamisch umkonfigurierbarer, nicht dissipativer Magnetpotentiale, die durch den Atomchip erzeugt werden.
WG-Ladefalle
Optimierte Fallengeometrie: Ein effizientes Laden wird erzielt, wenn die Fallenvolumen der Anfangs- und Endfallen gut modenangepasst sind und sich räumlich überlappen. Hier kann der Chip Modenanpassung durch β quantifizieren: β = ω_i /ω_f das Verhältnis von geometrischen mittleren Fallenfrequenzen, $\bar{ω} = \sqrt[3]{ω_{x} ω_{y} ω_{z}} .$
Nach dem Erzeugen eines BEC wird das endgültige Atomchip-Magnetpotential in der Nähe der SiN-Wellenleiteroberfläche positioniert, indem das externe Vormagnetisierungsfeld gedreht und vergrößert wird. Dadurch wird die magnetische Falle näher zum Wellenleiter hin verschoben, während die transversale Fallenfrequenz mit sinnvollen Systemparametern auf w_x, ≅ 30-50 kHz erhöht wird. Die Falle kann beliebig nah am Wellenleiter positioniert werden, im Gegensatz zu einer MOT 330 allein, deren Abstand auf ≳50 µm begrenzt ist. Das Fallenvolumen der EFOT wird in erster Linie durch die Evaneszenzabklinglänge der geführten optischen Mode $L_{D} = λ / (4 π \sqrt{n^{2} - 1})$
bestimmt, wobei λ die Wellenlänge und n der effektive Index des Leiters ist. Eine erste Modellierung des vorgeschlagenen Wellenleiters zeigt eine EFOT, die sich =100-200 nm von der Wellenleiteroberfläche entfernt befindet, mit ωx, ≅ 50-80 kHz und einer Tiefe ≳100 µK. 6 zeigt einen Graph der Simulationsdetails, einschließlich β-Werten.
Es kann ein Vergleich des EFOT-Beladungsansatzes des Atomchips mit einer früheren Praxis des Beladens nur von einer allgemeinen MOT allein durchgeführt werden. Der magnetische Gradient einer im oberen Graph gezeigten MOT 330 ist typischerweise um Dutzende von G/cm, ≈10⁵x schwächer als die im unteren Graph gezeigte letzte magnetische Falle. Außerdem ist die Temperatur eines BEC um =100x niedriger, als dies typischerweise bei Sub-Doppler-Kühlung erzielt wird. Durch Kombinieren dieser beiden Faktoren ermöglicht die Atomchip-Ladetechnik eine drastische Verbesserung, z. B. ≈10⁶x, der Modenanpassung an die EFOT.
Die Fallenmodenanpassung kann weiter optimiert werden, indem die EFOT durch Maximieren der Menge α_L = L_D,rot/L_D,blau - 1 gelockert wird, die die relativen Evaneszenzabklinglängen des roten und blauen Fallenlichts quantifiziert. Dies wird durch Reduzieren der SiN-Rippenhöhe und Auswählen von roten und blauen Lichtquellen mit idealen Wellenlängen erreicht.
Maanet-an-EFOT -Übergabe:
Wenn die optische Evaneszenzfeldfalle und die magnetische Falle modenangepasst sind und einander räumlich überlappen, werden die Atome von der letzten magnetischen Falle auf eine der folgenden Weisen zur optischen Evaneszenzfeldfalle übertragen: (i) adiabatisches, gleichzeitiges Herunter-(Hoch)-Rampen des magnetischen (optischen) Potentials, (ii) optischer Zwei-Photonen-Raman-Übergang von den magnetisch eingefangenen Atomen |F = 1, m_F = -1) in den uneingefangenen |F = 1, m_F = 0) Zustand, (iii) Zwei-Photonen-, optischer und Mikrowellen-Zustandsübergang und iv) eine beliebige Kombination dieser drei. Die Fallenmodenanpassung ergibt von Natur aus eine etwa 10⁶-fache Verbesserung der Ladeeffizienz.
Um die Materiewelleneigenschaften des BEC beizubehalten, muss der Übergabeprozess kohärent sein und minimale Erhitzung induzieren. Das Verfahren (i) erfordert nur die Fallen selbst und optimierte Rampenschemata, wird jedoch während des Übergabeprozesses vermutlich zu einer weniger optimalen Modenanpassung führen. Verfahren (ii) und (iii) erfordern beide zusätzliche Laser- oder Mikrowellenquellen, laden die Atome jedoch direkt in das (aus dem) optische/n (magnetische/n) Potential durch kohärentes Übertragen von Atomen in ein Zeeman-Sublevel mit minimaler (quadratischer) Empfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld des Atomchips. Während erwartet wird, dass Verfahren (iii) minimale Störungen und die beste Fallenübergabeeffizienz bietet, bieten die Verfahren (i) und (ii) Alternativen zur Risikominderung.
Die Fallenqualität einer EFOT kann magnetischen planaren Oberflächenfallen aufgrund der in optischen Wellenleitern erreichbaren geringen Oberflächenrauhigkeit und Streuung weit überlegen sein, mit Verlusten ≲1 dB/cm bei Nahinfrarot-Wellenlängen.
Materiewellen-Interferometrie
Einmal in der EFOT, kann das BEC für Materiewellen-Trägheitserfassungsmessungen verwendet werden. 4 zeigt eine Ausgestaltung für Wellenleitermuster zur Durchführung sowohl linearer als auch rotationaler Trägheitsmessungen. Die optische Evaneszenzfeldfalle bietet gleichzeitig einen robusten Einschluss von Atomen und eine starke Kopplung zwischen Atomen und einem Lichtfeld. Der Lichtwellenleiter bietet eine starke optische Verbindung zu eingefangenen Atomen, die bei Interferometrie-Sequenzen verwendet wird, und bietet ein nützliches Werkzeug für zukünftige Forschungen in Atomtronik und Quanteninformationswissenschaft (QIS).
Das spezifische Design der planaren Wellenleitergeometrie kann auf mehrere Sensor- und Metrologiemodalitäten zugeschnitten werden. Auf diese Weise kann die Wellenleitergeometrie so gestaltet werden, dass sie für mehrere Anwendungen geeignet ist, z. B. ein Linearmusterwellenleiter zum Realisieren eines Beschleunigungsmessers, ein Ringmusterwellenleiter zum Realisieren eines Gyroskops. Zusätzlich hat die starke Atom-Licht-Kopplung direkte Anwendung auf das entstehende Feld und assoziierte Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung, z. B. Quanten-Repeater und verschränkte Quantensensoren.
Integrierter-Chip-Fertigung
Mit Bezug zurück auf 1A, der integrierte Atomchip 100 kann auf einem Siliciumsubstrat mit einer thermischen Oxidschicht hergestellt werden und ist daher zur Serienfertigung auf Wafer-Ebene förderlich. Die hochreflektierend beschichtete Oberfläche kann mit Standard-Elektronenstrahlabscheidungstechniken aufgebracht werden. Die Metallbahnen werden mit strukturiertem Fotoresist und Elektronenstrahlabscheidung oder galvanischen Abscheidungstechniken aufgebracht. Der Lichtwellenleiter kann ein Si₃N₄-auf-SiO₂-auf-Si-Design sein, das gemäß Standardpraxis mit Fotoresist, chemischer Gasphasenabscheidung und Elektronenstrahl-Lithographietechniken strukturiert und aufgebracht wird.
Der integrierte Atomchip besteht aus zwei Hauptchips. Der Basischip besteht aus Gold- oder Silberdrähten, die selektiv auf einem AIN- oder Si-Wafer strukturiert sind. Das Wafer-Material kann aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit ausgewählt werden. Der Wellenleiterchip kann ein Silicium-Wafer sein, der nass oxidiert wird, um eine >1 µm dicke Mantelschicht aus SiO₂ zu erhalten. Als nächstes kann SiN für die Wellenleiterkernschicht aufgebracht werden. Der Kern kann durch Direct-Write-E-Beam-Lithographie und reaktives lonenätzen strukturiert werden. Als nächstes können Drähte und Patches aus einer hochreflektierenden optischen Metall- oder Viertelwellenstapelbeschichtung sequentiell durch E-Beam-Verdampfung aufgebracht und durch Lift-off strukturiert werden. Zur Vervollständigung der Anordnung kann der Wellenleiterchip auf den Basischip gebondet und anschließend fasergekoppelt werden.
Vakuumsvstem und integrierter Chip
Die Funktionalität des integrierten Atomchips 100 kann in einem Tisch-Ultrahochvakuumsystem (UHV, ~1e^-10 Torr) mit zwei Hauptkammern charakterisiert werden, einer dedizierten „Wissenschaftskammer“, die den Chip enthält, und einer zweiten Kammer für eine zweidimensionale MOT (2D-MOT) und feste Alkalimetallspender. Das Vakuumsystem kann einen bewährten Miniaturisierungspfad in einer UHV-Kammer-Herstellungstechnologie aus Silicium und Glas verwenden, der mit den planaren integrierten Chipmaterialien kompatibel ist.
Wellenleiter-Chip-Design
Der Wellenleiterchip steuert die EFOT-Qualität und Atomladung. Verlustarme (≲dB/cm), hochwertige Lichtwellenleiter können als Siliciumnitridrippe auf einem Siliciumwafer mit einer Zwischenschicht aus µm-dickem, thermisch gewachsenem Siliciumdioxid (SiO₂) für das richtige Wellenleiter-Indexprofil und minimierte Kopplung an das darunter liegende Silicium hergestellt werden (siehe 5). Sowohl der optische Leistungsverlust als auch die Welligkeit des Potentials werden durch Maximieren des Anteils des sich außerhalb des Wellenleitermaterials ausbreitenden Lichts minimiert. Dies wird durch Reduzieren der Höhe des Rippenwellenleiters unter Beibehaltung der Einzelmoden-TE- oder -TM-ähnlichen geführten Mode niedrigster Ordnung erzielt. Durch Reflexionen an den Wellenleiterfacetten und Streulicht verursachte Stehwellenmuster tragen zur Rauheit der EFOT bei. Diese Effekte können mit antireflektionsbeschichteten Chip-Facetten und Koppelfasern sowie durch Implementieren von Einfanglichtquellen mit reduzierter Kohärenzlänge (Bandbreiten ≳2 nm) ausreichend gemildert werden. Schließlich wird der vollständige dreidimensionale Atomeinschluss sowohl in Linearals auch Ringmuster-Wellenleitern betrachtet.
3-5 zeigen eine Ausgestaltung des mehrschichtigen Chipdesigns und Funktionsdiagramme einschließlich des Wellenleiterschemas für Einfangen und Materiewelleninterferometrie. Die Wellenleiterstrukturen bieten Endkappen für lineares Potential.
Wie erörtert, zeigt 3 ein Diagramm einer Ausgestaltung eines beispielhaften Satzes von integrierten magnetischen Einfangstrukturen, die von links nach rechts von einer lockereren magnetischen Kopplung zu einer engeren magnetischen Kopplung fortlaufen, wenn zunehmend kühlere Atome eingefangen werden. Beginnend von links, die Cu-Drähte für die m-MOT 330 können als anfängliche magnetische Falle auf der Trägerstruktur verwendet werden. In der Mitte befindet sich eine Z-förmige Drahtfalle auf der Basisschicht zur BEC-Bildung. Rechts befindet sich ein EFOT-Modenanpassungsdraht auf der obersten Schicht sowie die aufgedruckten Wellenleiter in der obersten Schicht.
Chipfunktionen reichen von anfänglicher Laserkühlung und magnetischem Einfang über die Vorbereitung eines ultrakalten Ensembles aus z. B. 87Rb-Atomen bis hin zum Materiewelleneinfang in einem hochwertigen Lichtwellenleiterpotential. Die elektrische und optische Verbindung mit strom- und lichtführenden Strukturen auf dem Chip erfolgt mit Drahtbonds und Oberflächengitter oder modenangepasster Endfeuer-Faserkopplung.
5 zeigt ein Diagramm einer Ausgestaltung eines halbkugelförmigen EFOT 550 Potentials, das sich gleichmäßig über dem SiN-Wellenleiter bildet, der auf dem Basis-SiO₂ gebildet wird. Das EFOT-Potential liegt über dem SiN-Wellenleiter. Die halbkugelförmige EFOT 550 hat keinen flachen Boden, sondern spiegelt die Form der geführten Mode innerhalb des SiN-Wellenleiters wider. 5 zeigt ein Beispiel für die Finite-Element-Analyse von blauen und roten TEo-Moden in einem 300 nm × 800 nm SiN-Rippenwellenleiter auf 1 µm SiO₂-Schicht; wobei das EFOT-Potential im Abstand von mindestens 100 nm über der Oberfläche des SiN-Wellenleiters liegt. In diesem speziellen Beispiel wird die optische Evaneszenzfeldfalle durch eine ausgewogene optische Dipolkraft von sowohl blau als auch rot detuniertem Licht gebildet, das in einem Wellenleiter geführt wird.
4 zeigt eine Ausgestaltung eines Satzes von auf die oberste Schicht aufgedruckten Wellenleitermustern, um sowohl lineare als auch rotationale Trägheitsmessungen durchzuführen. Die Linear- und Ringpotentiale der Wellenleitermuster 102 enthalten beide die erforderlichen Komponenten für vollständige Interferometer-Sequenzen, nämlich Aufspaltung, Ausbreitung und Rekombination. Ob im ringförmig oder im linear strukturierten Wellenleiter, die Materiewelle kann in einem Bragg-Pulsschema mit gegenläufig propagierendem, nahezu resonantem Licht in einem zusätzlichen Wellenleiter (über dem Ring in 4) gespalten werden, das evaneszent in die benachbarten Wellenleiter einkoppelt. Sowohl das Linear- als auch das Ringmuster für den Wellenleiter erzeugen periodische Potentiale, was bedeutet, dass die Atome nach einer festgelegten Zeit in ihre ursprüngliche Position zurückkehren. Daher bestehen Interferometerzyklen aus zwei Bragg-Pulsen, die durch die Fallenperiode getrennt sind, gefolgt von Detektion.
Die Wellenleiter können optische Moden zwischen dem Ring und benachbarten linearen Wellenleitern koppeln. Die Wellenleiterkopplung berücksichtigt Form und Position der EFOT sowie die optische Phasenkohärenz des Bragg-Splitting-Lichts.
4 kann als eine Ansicht von 1B gegen den Uhrzeigersinn mit vielen Fließrichtungspfeilen und Kreisen um die Y-förmigen Schnittpunkte des aufgedruckten Lichtwellenleiters betrachtet werden. Die Wellenleiterstrukturen bieten Endkappen für lineares Potential. Die Wellenleitergeometrie mit linearer Wellenleiterkappe hat eine etwa „Y“-förmige Struktur.
4 zeigt, wie Wellenlängen (Lambda) in verschiedene Muster von auf den Chip aufgedruckten Wellenleitern getrennt werden, um Licht unterschiedlicher Wellenlängen injizieren und extrahieren zu können. Beispielsweise kann Resonanzlicht, das in Lambda-Schwarz (λ₀) dargestellt ist, in einem Wellenleiter geroutet werden, und die Lichtwellenlängen Lambda-Blau (λ_B) und Lambda-Rot (λ_R) können in einem anderen Muster des Wellenleiters geroutet werden.
Der integrierte Atomchip mit seiner Architektur aus magnetischen und optischen Komponenten nutzt hoch steuerbare magnetische Fallen, die auf dem Atomchip erzeugt werden, um Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle eines nanofabrizierten Lichtwellenleiters zu laden, dessen Geometrie für die Trägheitserfassung von eingefangenen Atomen ausgelegt ist. So verfügt der Chip über mindestens eine oder mehrere steuerbare magnetische Fallen, die auf dem Atomchip erzeugt werden, um Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle eines nanofabrizierten Lichtwellenleiters zu laden, der ebenfalls auf eine Schicht des Atomchips aufgedruckt ist. Zusätzlich ist das Muster des nanofabrizierten Lichtwellenleiters mit einer Geometrie für die Trägheitserfassung von eingefangenen Atomen ausgelegt (z. B. siehe 4).
Anwendung des integrierten Atomchips
Der integrierte Atomchip kann ultrakalte Atome vorbereiten und in einen hochwertigen Lichtwellenleiter mit Geometrien von Interesse laden. Der integrierte Atomchip wird eine zukünftige Integration kleiner Bauelemente für Anwendungen ermöglichen, die von bekannten Trägheitserfassungsschemas bis zum aufstrebenden Gebiet der Quanteninformationswissenschaft und Atomtronik reichen.
Bisherige Techniken haben das Einfangen von Atomen in einer EFOT noch nicht demonstriert und sind hauptsächlich durch ein kleines Fallenvolumen (ca. 100 nm² Querschnitt) begrenzt. Das derzeitige Design, bei dem die Atome zunächst in dem tiefen, dichten magnetischen Potential, das durch den integrierten Atomchip gebildet wird, eingefangen und gekühlt werden, könnte jedoch eine Verbesserung der Fallenladeeffizienz um sechs Größenordnungen im Vergleich zu früheren Ansätzen aufweisen, was die Weiterentwicklung von direkt mit photonischen integrierten Schaltungen (PIC) gekoppelten Atomsensoren ermöglichen würde.
Der integrierte Atomchip mit seiner Architektur aus magnetischen und optischen Komponenten adressiert bedeutende Fahenbeschränkungen modernster Atomträgheitssensoren. EFOTs sind dicht (≳ 10³x Schwerkraft), bieten Robustheit gegenüber Orientierungsänderungen und unterstützen den Betrieb mit hohem dynamischem Bereich. Außerdem ermöglicht der integrierte Atomchip mit seinem planaren Aufbau und seiner Wellenleiterarchitektur eine skalierbare Sensorgröße und erhöhte Empfindlichkeit, während er gleichzeitig einen Weg zu Präzisionssensoren im Chip-Maßstab bietet. Das integrierte Chipsystem bietet über Trägheitserfassungsanwendungen hinaus von Natur aus eine starke Atom-Licht-Kopplung, die in den wachsenden Gebieten Atomtronik und Quanteninformationswissenschaften unmittelbare Anwendung findet.
Der integrierte Atomchip ermöglicht eine kompakte, robuste Plattform für die Trägheitserfassung mit kohärenten Atommateriewellen. Dieser integrierte Atomchip entwickelt eine Technologie und Methodik, die für DoD und akademische Forschungsinteressen weithin anwendbar ist. Zu den Anwendungen gehören die Erfassung elektromagnetischer Felder, Trägheitserfassung (z. B. Beschleunigungsmesser und Gyroskope) sowie Präzisionsmessungen der Gravitationskonstante, des Äquivalenzprinzips und des Geoids. Ein Schwerkraftsensor misst die Beschleunigungswirkung der Erdanziehung auf das den Sensor umschließende Gerät. Ein Trägheitssensor führt trägheitsbasierte Messungen durch. Ein elektromagnetisches Feld führt Messungen auf der Basis von elektrischen oder magnetischen Feldern durch. Ein Geoidsensor, wie z. B. GPS, führt Messungen auf der Basis der Form der Erde durch.
Der integrierte Atomchip ermöglicht die ultrapräzise Erfassung und Zeitmessung neutraler Atome auf kleinen Plattformen sowie eine robuste Schnittstelle zwischen dem Quantenzustand ultrakalter Atome und Photonen.
Anwendungsbeispiele umfassen:

- PNT-(Pointing, Navigation und Timing)-Messungen mit ausreichender Genauigkeit für die GPS-freie Langzeitnavigation von Unterwasserfahrzeugen oder ähnlichem.
- Optische Präzisionszeitmessung und optische Zeitsynchronisation.
- Präzisionsmetrologie, einschließlich Gravimetrie, Magnetometrie und Elektrometrie, wie z. B. Beschleunigungsmesser und Gyroskope.

Wie erörtert, kann der integrierte Atomchip mit Hilfe von Wafer-Scale-Lithographie und siliciumphotonischen Prozessen hergestellt werden. Der integrierte Atomchip ermöglicht Lichtwellenleiter-gefangene BEC- und nachfolgende Materiewellen-Interferometrie-Messungen.
Der integrierte Atomchip, der zwei oder mehr magnetische Fallen und einen auf den integrierten Atomchip aufgedruckten Lichtwellenleiter zur Messung von Atomen integriert, ermöglicht präzise PNT und Metrologie in einem System, das unempfindlich gegen Plattformbewegungen ist (da die Potentiale der optischen Fallen 1000x stärker als Schwerkraft sind), so dass diese Lösung in UAVs und UUVs eingesetzt werden kann.
6 zeigt einen Graph einer Ausgestaltung von Simulationsdetails für den integrierten Atomchip, einschließlich modenangepasster Fallenenergie für die Wellenleiterladefalle und eine optische Evaneszenzfeldfalle, die mit dem Abstand vom Fallenzentrum variieren.
6 zeigt einen Graph mit den Ergebnissen eines anfänglichen Simulationsmodells für die Krümmungen von magnetischen und EFOT-Fallen des Atomchips für EFOT-Modenanpassung. Die optimierten Fallen des Atomchips erzielen eine effiziente Atomladung, wenn die Fallenvolumen der Anfangs- und Endfallen gut modenangepasst sind und sich räumlich überlappen. 6 ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des in 2C dargestellten unteren Übertragung-zu-EFOT-Graphs, die die Skalierung in Millimetern zeigt, und 6 zeigt die Skalierung in Nanometern. 6 zeigt einen Graph einer Ausgestaltung von Simulationsdetails für den integrierten Atomchip, einschließlich Fallenenergiewerte 614 für die Wellenleiterbeladung und einer optischen Evaneszenzfeldfalle, mit einem Abstand von der Falle.
Der Graph in 6 zeigt anfängliche Modellergebnisse für beispielhafte Krümmungen der magnetischen (gestrichelt) und der EFOT-Falle (durchgezogen) des Chips. Der Graph zeigt die Wellenleiterbeladung und die EFOT-Fallenenergien in Abhängigkeit von der Position. Mit diesen Strukturen wird ein Modenanpassungswert von β =0,62 erzielt. Parameter: 0,25 A im Ladedraht, 2 A im Z-Draht des Basischips und 40 G Vorspannungsfeld, 4 mW 760 nm Licht, 20 mW 1064 nm Licht. Zur Referenz, eine MOT erzielt nur β = 5e-7.
Der integrierte Atomchip ermöglicht das Evaneszenzfeld-Einfangen in nanofabrizierten Wellenleitern. Aktuelle Ansätze sind durch die geringe (=100 nm) räumliche Trennung zwischen EFOT und Wellenleiteroberfläche begrenzt. Der integrierte Atomchip hat mehrere einzigartige Aspekte, die die Fähigkeiten des Geräts über den Stand der Technik hinaus erweitern. Vor allem ermöglicht die durch einen Atomchip gebildete enge magnetische Falle eine Verbesserung der EFOT-Ladeeffizienz um sechs Größenordnungen im Vergleich zu derzeitigen Ansätzen, die eine direkte Ladung aus einer magneto-optischen Falle (MOT) versuchen. Außerdem wird das magnetische Potential des integrierten Atomchips in der Nähe der SiN-Wellenleiteroberfläche durch Drehen und Vergrößern des externen Vormagnetisierungsfeldes positioniert. Dadurch wird die magnetische Falle näher zum Wellenleiter verschoben, während die transversale Fallenfrequenz erhöht wird.
Außerdem verwendet das Design des Atomchips eine optimierte Fallengeometrie, um eine effiziente Atomladung zu erzielen, wenn die Fallenvolumen der Anfangs- und Endfallen gut modenangepasst sind und sich räumlich überlappen. Die Modenanpassung für die EFOT-Beladung erfolgt über die Magnetfallenbeladung der optischen Evaneszenzfeldfalle.
Die Architektur des Atomchips verwendet planare Oberflächenfallenstrukturen, die ultrakalte Atome vorbereiten und in hochwertige Atomwellenleiter laden können, die auf demselben Chip erzeugt wurden. Hier ist der hochwertige Wellenleiter eine optische Evaneszenzfeldfalle, die durch die ausgewogenen optischen Dipolkräfte von sowohl blau als auch rot detuniertem Licht gebildet wird, das in einem Rippenwellenleiter aus Siliciumnitrid (SiN) geführt wird. Nach dem Erstellen und Optimieren von Protokollen für das Laden von Atomen in die Wellenleiterfalle implementiert der integrierte Atomchip eine Wellenleiterarchitektur zum Durchführen von geführter Materiewelleninterferometrie (siehe z. B. 4).
Das vorstehende Design und seine Ausgestaltungen wurden zwar in beträchtlicher Ausführlichkeit zur Verfügung gestellt, aber es liegt nicht in der Absicht der Anmelderin(nen), dass das/die hier bereitgestellte(n) Design und Ausgestaltungen beschränkend sein sollen. Zusätzliche Anpassungen und/oder Modifikationen sind möglich, und in breiteren Aspekten sind diese Anpassungen und/oder Modifikationen ebenfalls eingeschlossen. Demgemäß können Abweichungen von dem/den vorstehenden Design und Ausgestaltungen vorgenommen werden, ohne dass von dem durch die folgenden Ansprüche gewährten Umfang abgewichen wird, der nur durch die Ansprüche bei angemessener Auslegung eingeschränkt wird.

Claims

Integrierter Atomchip zur Messung von Atomen, der Folgendes umfasst: eine oder mehrere magnetische Fallen, die mit einem Lichtwellenleiter integriert sind, der auf den integrierten Atomchip aufgedruckt ist, um das Laden der Atome in eine optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters zu erleichtern, um die Atome zu messen; und zwei oder mehr Kühlstufen, die zum progressiven Kühlen der Atome von einer Anfangstemperatur auf eine Endtemperatur der Atome konfiguriert sind, wenn sie in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters geladen werden.
Integrierter Atomchip nach Anspruch 1, wobei die zwei oder mehr Kühlstufen wie folgt sind: i) eine erste Kühlstufe, die zum Verwenden einer magneto-optischen Falle zum Kühlen der Atome konfiguriert ist; ii) eine zweite Kühlstufe, die zum Benutzen von Radiofrequenz-basierter Kühlung von Atomen konfiguriert ist, die in einem Magnetfeld eingefangen sind, das durch ein Muster von elektrischen Bahnen erzeugt wird, die auf einer oder mehreren Schichten des integrierten Atomchips gebildet werden.
Integrierter Atomchip nach Anspruch 1, der ferner Folgendes umfasst: ein Muster von Metallbahnen auf einer ersten Schicht des integrierten Atomchips, das zum Erzeugen einer ersten steuerbaren magnetischen Falle konfiguriert ist, um Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle des auf eine zweite Schicht des integrierten Atomchips aufgedruckten Lichtwellenleiters zu laden, und wobei ein Muster des Lichtwellenleiters mit einer Geometrie für die Trägheitserfassung von eingefangenen Atomen ausgelegt ist.
Integrierter Atomchip nach Anspruch 1, wobei der integrierte Atomchip zum Integrieren optischer und magnetischer Komponenten auf mehreren Schichten des integrierten Atomchips konstruiert ist, einschließlich einer obersten Schicht, die den Lichtwellenleiter in einer koplanaren Struktur zu einer ersten magnetischen Falle enthält, die zum magnetischen Laden der Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters verwendet wird, wobei die oberste Schicht zusammen mit dem Lichtwellenleiter auch eine reflektierend beschichtete optische Oberfläche aufweist und die oberste Schicht auch einen Modenanpassungsdraht aufweist, um Moden zwischen der optischen Evaneszenzfeldfalle und der ersten magnetischen Falle anzupassen.
Integrierter Atomchip nach Anspruch 4, der ferner Folgendes umfasst: eine Basisschicht mit strukturierten, stromführenden Metallbahnen, die zur Erzeugung einer magnetischen Falle für die Atome verwendet werden, wobei der Lichtwellenleiter, die erste magnetische Falle und die strukturierten, stromführenden Metallbahnen sich alle integrieren, um die Atome einzufangen, zu kühlen und in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters zu laden.
Integrierter Atomchip nach Anspruch 1, hergestellt auf einem Halbleitersubstrat mit einer thermischen Oxidschicht.
Integrierte Atomchip nach Anspruch 1, der ferner Folgendes umfasst: eine magneto-optische Falle, die zum anfänglichen Einfangen und Kühlen der Atome konfiguriert ist, wobei die Atome dann optisch in einen magnetisch einfangbaren Zustand gepumpt und in einem magnetischen Potential erfasst werden, das durch elektrischen Strom gebildet wird, der durch lithographisch strukturierte Metallbahnen auf einer Basisschicht des integrierten Atomchips fließt, und wobei das magnetische Potential, das durch den elektrischen Strom gebildet wird, der durch die lithographisch strukturierten Metallbahnen fließt, einen engeren magnetischen Einschluss, wenn zunehmend kühleren Atomen eingefangen werden, im Vergleich zu den anfänglich in der magneto-optischen Falle erfassten Atomen.
Integrierter Atomchip nach Anspruch 1, der ferner Folgendes umfasst: eine Wellenleiter-Ladekomponente, die zum Laden der Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle durch Modenanpassung und räumliche Überlappung einer letzten magnetischen Falle und der optischen Evaneszenzfeldfalle konfiguriert ist.
Integrierter Atomchip nach Anspruch 8, wobei die Atome von der letzten magnetischen Falle durch die Wellenleiter-Ladekomponente auf eine der folgenden Weisen in die optische Evaneszenzfeldfalle übertragen werden: (i) adiabatisches, gleichzeitiges Herunter- oder Hochrampen des magnetischen Potentials, (ii) optischer Zwei-Photonen-Raman-Übergang von den magnetisch eingefangenen Atomen in einen nicht eingefangenen Zustand, (iii) Zwei-Photonen-, optischer und Mikrowellen-Zustandsübergang und iv) eine beliebige Kombination dieser drei.
Sensor, der Folgendes umfasst: einen integrierten Atomchip zum Messen von Atomen, der Folgendes umfasst: zwei oder mehr magnetische Fallen, die mit einem Lichtwellenleiter integriert sind, der auf den integrierten Atomchip aufgedruckt ist, um das Laden der Atome in eine optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters zu erleichtern, um die Atome zu messen, wobei eine erste steuerbare magnetische Falle auf dem integrierten Atomchip erzeugt wird, um Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle des auf eine Schicht des integrierten Atomchips aufgedruckten Lichtwellenleiters zu laden, und wobei ein Muster des Lichtwellenleiters mit einer Geometrie für die Messung von eingefangenen Atomen ausgelegt ist.
Sensor nach Anspruch 10, wobei der Sensor aus einer Gruppe ausgewählt ist, die aus i) einem Trägheitssensor, ii) einem Gravitationskonstantensensor, iii) einem Geoidsensor, iv) einem elektromagnetischen Feldsensor und v) einer beliebigen Kombination dieser Sensoren besteht.
Verfahren für einen integrierten Atomchip, der zur Messung von Atomen verwendet wird, das Folgendes beinhaltet: Herstellen einer oder mehrerer magnetischer Fallen, die mit einem Lichtwellenleiter integriert sind, der auf den integrierten Atomchip aufgedruckt ist, um das Laden der Atome in eine optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters zu erleichtern, um die Atome zu messen; und Herstellen von zwei oder mehr Kühlstufen, die dazu verwendet werden, die Atome schrittweise von einer Anfangstemperatur auf eine Endtemperatur der Atome abzukühlen, wenn sie in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters geladen werden.
Verfahren für den integrierten Atomchip nach Anspruch 12, wobei die zwei oder mehr Kühlstufen wie folgt sind: i) eine erste Kühlstufe, die zum Verwenden einer magneto-optischen Falle zum Kühlen der Atome konfiguriert ist; ii) eine zweite Kühlstufe, die zum Verwenden von Radiofrequenz-basierter Kühlung von Atomen konfiguriert ist, die in einem Magnetfeld eingefangen sind, das durch ein Muster von elektrischen Bahnen erzeugt wird, die auf einer oder mehreren Schichten des integrierten Atomchips gebildet werden.
Verfahren für den integrierten Atomchip nach Anspruch 12, das ferner Folgendes beinhaltet: Herstellen eines Musters von Metallbahnen auf einer ersten Schicht des integrierten Atomchips, um eine erste steuerbare magnetische Falle zu erzeugen, um Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters zu laden, der auf einer zweiten Schicht des integrierten Atomchips aufgedruckt ist, und wobei ein Muster des Lichtwellenleiters mit einer Geometrie für die Trägheitserfassung von eingefangenen Atomen ausgelegt wird.
Verfahren für den integrierten Atomchip nach Anspruch 12, das ferner Folgendes beinhaltet: Herstellen des integrierten Atomchips, um optische und magnetische Komponenten auf mehreren Schichten des integrierten Atomchips zu integrieren, einschließlich einer obersten Schicht, die den Lichtwellenleiter in einer koplanaren Struktur zu einer ersten magnetischen Falle enthält, die zum magnetischen Laden der Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters verwendet wird, wobei die oberste Schicht zusammen mit dem Lichtwellenleiter auch eine reflektierend beschichtete optische Oberfläche aufweist und die oberste Schicht auch einen Modenanpassungsdraht aufweist, um Moden zwischen der optischen Evaneszenzfeldfalle und der ersten magnetischen Falle anzupassen.
Verfahren für den integrierten Atomchip nach Anspruch 15, das ferner Folgendes beinhaltet: Herstellen einer Basisschicht mit strukturierten, stromführenden Metallbahnen, die verwendet werden, um eine magnetische Falle für die Atome zu erzeugen, wobei der Lichtwellenleiter, die erste magnetische Falle und die strukturierten, stromführenden Metallbahnen sich alle integrieren, um die Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle des Lichtwellenleiters einzufangen, zu kühlen und zu laden.
Verfahren für den integrierten Atomchip nach Anspruch 16 unter Anwendung eines Wafer-Herstellungsverfahrens zur Herstellung des integrierten Atomchips auf einem Halbleitersubstrat mit einer thermischen Oxidschicht.
Verfahren für den integrierten Atomchip nach Anspruch 12, das ferner Folgendes beinhaltet: Herstellen einer magneto-optischen Falle, um die Atome anfänglich zu erfassen und zu kühlen, wobei die Atome dann optisch in einen magnetisch einfangbaren Zustand gepumpt und in einem magnetischen Potential erfasst werden, das durch elektrischen Strom gebildet wird, der durch lithographisch strukturierte Metallbahnen auf einer Basisschicht des integrierten Atomchips fließt, und wobei das magnetische Potential, das durch den elektrischen Strom gebildet wird, der durch die lithographisch strukturierten Metallbahnen fließt, ein engerer magnetischer Einschluss, wenn zunehmend kühleren Atomen eingefangen werden, im Vergleich zu den anfänglich in der magneto-optischen Falle erfassten Atomen.
Verfahren für den integrierten Atomchip nach Anspruch 12, das ferner Folgendes beinhaltet: Herstellen einer Wellenleiter-Ladekomponente, die zum Laden der Atome in die optische Evaneszenzfeldfalle durch Modenanpassung und räumliche Überlappung einer letzten magnetischen Falle und der optischen Evaneszenzfeldfalle konfiguriert ist.
Verfahren für den integrierten Atomchip nach Anspruch 18, wobei, sobald die optische Evaneszenzfeldfalle und eine letzte magnetische Falle modenangepasst sind und sich räumlich überlappen, die Atome von der Magnetfalle in die optische Evaneszenzfeldfalle auf eine der folgenden Weisen übertragen werden: (i) adiabatisches, gleichzeitiges Herunter- oder Hochrampen eines magnetischen Potentials, (ii) optischer Zwei-Photonen-Raman-Übergang von den magnetisch eingefangenen Atomen in einen nicht eingefangenen Zustand, (iii) Zwei-Photonen-, optischer und Mikrowellen-Zustandsübergang und iv) eine beliebige Kombination dieser drei.