[发明专利]可控原子源

说明书

一种产生特定种类的至少一个被捕获原子的方法，该方法包括如下步骤：将包括特定种类的样品材料(18)放置在真空(14)环境；通过用第一激光器(12)辐照该样品材料，产生特定种类的原子蒸气(20)；从所产生的原子蒸气中捕获一个或多个原子。

技术领域

本发明涉及用于制造受控原子源，特别是用于冷原子应用的方法和装置。

背景技术

产生特定原子种类的可捕获原子的蒸气的能力对于冷原子装置，例如那些包括在真空条件下受到激光冷却的原子蒸气源的冷原子装置，是很有用的。这类装置包括那些在其中使原子在真空条件下被从背景气体或原子束中捕获的装置。

有许多理想的实际应用需要用到特定原子的可捕获原子蒸气源。例如，特定原子的原子蒸气源对于生产光学时钟(其使用激光冷却的原子)和原子干涉仪(其可被用作重力传感器或重力梯度传感器)是很理想的。此外，原子蒸气源对于有关玻色－爱因斯坦凝聚的实验也是理想的。

用于产生可捕获原子的原子蒸气的一种已知方法是使用在常温下具有足够蒸气压的材料，并将该材料的大样置于真空室中。通过使用位于材料源和实验真空室之间的阀门来控制原子蒸气的供应。然而，如果包含所需原子种类的材料在环境温度下仅具有微小的蒸气压，则这种产生原子蒸气的方法不能使用。

更加通用的、用于为更大的原子种类范围产生可捕获原子的原子蒸气的方法还包括在烘箱中或分配器中加热所需原子种类的大样，从而产生必要的热能以使材料蒸发或升华至真空室中。然而，由于烘箱固有地产生热量，使用带有冷原子装置的烘箱本质上是有问题的，而且为了分隔热源(及随之产生的背景辐射)和装置中需要低温的部分，可能会导致装置体积变大。以原子钟为例，热量可以产生原子线的相关偏移，并因此产生时钟或频率输出的相关偏移。因此，利用烘箱产生原子蒸气的光学时钟往往相对较大，并且它们也缺乏精细控制。

如上所述，用于产生原子蒸气的已知方法可能难于控制，在执行详尽且精确的实验或工艺时，这可能被证明是特别有问题的。在现有技术中，为了解决这个问题，已知的是在通过使用光诱导原子解吸(LIAD)在多室设置中产生原子蒸气时实现更高的控制，由此，通过将光照射到真空室壁上来促使已经粘附到真空室内壁的原子解吸。在这种情况下，吸附的原子可能稀疏地或零散地分布，因此将不确定性的因素引入到该过程中，由此原子的位置和密度可能不能满足使用原子蒸气的应用的要求。然而，LIAD仅适合于和一些原子种类配合使用，并且除了用于最初产生原子蒸气的烘箱或其他装置之外，还需要中间设备，从而增加了装置的尺寸和复杂性。

对于一些冷原子装置和应用，包括光学时钟，碱土金属的原子如锶原子是可取的。目前尚未发现LIAD对这些原子是有效的。烤箱的常规使用导致背景热辐射的困难。当材料已经反应形成更稳定的化合物时，通过用热力学手段加热大样，例如金属，来产生原子蒸气的难度甚至会变得更加困难(例如，氧化锶的熔点/沸点和熔化/蒸发所需的能量显著的高于锶)。在这种材料中引起相变所需的温度非常高，将导致需要冷原子的处理系统中存在过多的热能。

除了利用冷原子的应用外，可靠且可控的特定种类的原子蒸气源可作为理想的原子热源，其中热原子至少可以用于以下示例性领域：测磁学(应用于医学领域，例如，在其中热原子可被用于进行诸如脑电图的实验的领域)；表面科学(利用发射的原子涂敷表面)；离子物理学(例如，用于离子原子碰撞物理学，在其中可以在离子-原子碰撞中测量散射截面、电荷传递截面等)；生物科学(探索碱性原子(锶、镱、镁……)与大生物分子之间的相互作用，所述大生物分子包括DNA和其他分子，这样例如锶(Sr)离子可通过将电子共享/转移到锶离子来与生物分子反应，这可能导致键或只是电荷的转移)；化学(例如，包括超冷分子在内的分子的形成和特别是针对超冷分子的量子水平上的反应的控制，)；和纳米技术(例如，在衬底上创建原子级结构，可与激光冷却技术相结合)。