[发明专利]一种冷原子芯片磁场信号检测装置及检测方法

说明书

本发明公开了一种冷原子芯片磁场信号检测装置及检测方法。本发明为冷原子芯片产生磁场势阱检测研究提供使用便捷、精度高、普适性强的检测装置，包括水平位移驱动装置、水平位移台架、环境磁噪声屏蔽罩、冷原子芯片测试样品固定载具、冷原子芯片供电单元、原子自旋效应磁场敏感单元、原子自旋效应磁场敏感单元高度调节装置、数据处理主机。本发明通过引入基于原子自旋效应的磁场敏感单元，利用环境磁噪声屏蔽罩内器件无磁设计，提高了冷原子芯片的磁场信号检测精度，减小了检测过程中的磁噪声干扰。基于水平位移驱动装置和水平位移台架，实现了冷原子芯片产生磁场信号的强度分布检测，提升了冷原子芯片产生磁场势阱中心位置定位准确率。

技术领域

本发明属于芯片磁测量、磁场信号检测领域，具体涉及一种冷原子芯片磁场信号检测装置及检测方法。

背景技术

磁光阱是冷却与俘陷原子团的必要条件，传统磁光阱基于庞大的三维线圈结构，产生磁场势阱。近年来，冷原子芯片因其尺寸小、重量轻、功耗低等优势而被广泛关注。区别于传统三维线圈结构，冷原子芯片是一种产生可以制备冷原子磁场势阱的二维芯片。冷原子芯片通过平面化磁场线圈结构设计和利用微型纳米精密加工技术进行制备，在其表面能够产生用于冷却和冷却与俘陷原子团的磁场势阱。由于磁场势阱的形貌决定了所制备冷原子的状态和质量，而磁场势阱的形貌取决于冷原子芯片产生的磁场信号，因此对冷原子芯片产生磁场信号的高精度检测是非常重要的。当磁场势阱与光场势阱中心重合时，磁光阱冷却与俘陷原子团的效率最高。所以实际在制备冷原子时存在磁场势阱和光场势阱中心的严格重合的挑战。而对冷原子芯片产生的磁场信号进行高精度测量和产生磁场势阱中心位置的准确标定，一直是冷原子芯片磁场信号检测领域的难题之一。

磁场测量装置是检测磁场信号的一类装置，常见的磁场测量装置有磁通门磁场测量装置、巨磁阻磁场测量装置、固体自旋磁场测量装置和原子无自旋弛豫交换磁场测量装置等。磁通门磁场测量装置是基于高导磁率软磁材料的磁饱和特性和法拉第电磁感应原理进行磁场测量的装置，这类磁场测量装置具有体积小、重量轻的特点，其检测精度在0.1nT（10^-10特斯拉）水平。巨磁阻磁场测量装置是基于巨磁阻效应和微纳加工技术的一类磁场测量装置，这类磁场测量装置具有较大的测量范围，但其检测精度只有mT（10^-3特斯拉）水平。固体自旋磁场测量装置一般是基于金刚石氮-空位色心固体自旋效应的一类磁场测量装置，这类磁场测量装置具有空间分辨率高，其检测精度在pT（10^-12特斯拉）量级。原子无自旋弛豫交换磁场测量装置是利用原子自旋效应进行磁场高精度测量的磁场测量装置。

原子无自旋弛豫交换磁场测量装置具有超高的测量灵敏度，其在计量学、生物医学及材料学等领域都有广泛的应用前景。目前，基于原子自旋效应的小型化原子无自旋弛豫交换磁场信号测量装置能够实现优于15fT（1.5×10^-14特斯拉）的磁场检测精度。虽然这类基于原子自旋的磁场测量装置对磁场信号的检测精度极高，其对环境磁噪声和震动非常敏感，所以环境磁噪声抑制的需求是装置必须考虑的。在环境噪声抑制模块内的结构和组件都需做到无磁和紧凑，这就为冷原子芯片磁场信号强度和产生磁场势阱中心位置的高精度检测和标定方法提出了较高的要求。基于原子自旋的冷原子芯片磁场信号检测装置必须满足磁场信号高精度检测和磁场势阱中心位置精确定位的技术特点。

发明内容

本发明的一个目的在于针对现有的冷原子芯片磁场信号测量精度低、产生磁势阱中心定位难的问题，提供一种冷原子芯片磁场信号检测装置，提高冷原子芯片产生磁场信号测量精度，精准定位冷原子芯片产生磁势阱中心，提升磁势阱的精密补偿与冷原子的制备效率，缩减冷却光路与磁势阱中心对准时间，增强冷原子芯片磁阱与光阱配合度和稳定性。

本发明的检测装置包括水平位移驱动装置、水平位移台架、环境磁噪声屏蔽罩、冷原子芯片测试样品固定载具、冷原子芯片供电单元、原子自旋效应磁场敏感单元、原子自旋效应磁场敏感单元高度调节装置、数据处理主机。

所述的冷原子芯片测试样品固定载具用于固定冷原子芯片，环境磁噪声屏蔽罩外的冷原子芯片供电单元用于为冷原子芯片提供高精度电流。