原子束讓人想起巨大的太空力量教規。但是真正的微小原子束是從新設計的準直器中射出的，這種準直器是一種可能落在手持設備中的微型硅片。從它們流出的光束產生精確的慣性比陀螺儀更好，這可以幫助航天器導航太陽系。來自新準直器的原子束也可以讓物理學家廉價而輕松地產生奇異的量子力學狀態。對于非物理學家來說，“原子束準直器”可能聽起來像是一個發射神秘粒子的相位器。這可能不是引入研究人員現在已經小型化的技術的最糟糕的比喻，使得它有可能在某一天落入手持設備。

今天，原子束準直器主要存在于物理實驗室中，它們在光束中射出原子，產生奇異的量子現象，并具有可用于精密技術的特性。通過將準直器從小型設備的尺寸縮小到適合指尖，佐治亞理工學院的研究人員希望將這項技術提供給工程師推進設備，如原子鐘或加速度計，這是智能手機中的一個組件。

“你可以做出的典型設備是用于精確導航系統的下一代陀螺儀，該系統獨立于GPS，可以在偏遠地區的衛星射程或太空旅行時使用，”錢德拉說。拉曼，喬治亞理工學院物理學院的副教授，也是該研究的聯合首席研究員。

該研究由海軍研究辦公室資助。研究人員于2019年4月23日在Nature Communications雜志上發表了他們的研究結果。

這就是準直器的原理，原子束中的一些量子勢能，以及微型準直器格式如何幫助原子束塑造新一代技術。

口袋原子霰彈槍

“準直的原子束已經存在了幾十年，”拉曼說，“但目前，為了精確，準直器必須很大。”

原子束開始于一個充滿原子的盒子里，通常是銣，加熱成蒸汽，這樣原子就會混亂。一個管子進入盒子，具有正確軌跡的隨機原子射入管子，就像進入霰彈槍槍管的彈丸一樣。

就像離開霰彈槍的彈丸一樣，原子從射擊管的末端射出相當直的射擊，但也隨著原子射擊的隨機噴射以傾斜的角度飛行。在原子束中，該噴霧產生信號噪聲，并且改進的芯片準直器消除了其中的大部分，以獲得更精確，幾乎完全平行的原子束。

光束比來自現有準直器的光束更加聚焦和純凈。研究人員還希望他們的準直器能夠使實驗物理學家更方便地創建復雜的量子態。

堅定不移的慣性機器

但更準確的是，準直器設置了可以適應實際使用的牛頓力學。

改進的光束是不受約束的慣性流，因為與由無質量光子構成的激光束不同，原子具有質量，因此具有動量和慣性。這使得它們的光束成為光束驅動陀螺儀中可能的理想參考點，有助于跟蹤運動和位置變化。

無GPS導航設備中的當前陀螺儀在短期內是精確的而不是長期的，這意味著經常重新校準或更換它們，這使得它們在月球或火星上不太方便。

“基于MEMS(微機電系統)技術的傳統芯片級儀器受到各種應力隨時間的漂移的影響，”聯合首席研究員Farrokh Ayazi說道，他是佐治亞理工學院電氣和計算機工程學院的Ken Byers教授。“為了消除這種漂移，你需要一種絕對穩定的機制。這種原子束在芯片上創造了這種參考。”

量子糾纏光束

光束中的熱激發原子也可以轉換成里德伯原子，這提供了量子特性的聚寶盆。

當一個原子充足地通電時，它的最外面的軌道電子突然到達原子氣球的尺寸。到目前為止，以如此多的能量軌道運行，最外層的電子表現得像氫原子的孤立電子，而里德堡原子就好像它只有一個質子一樣。

“你可以利用里德堡態來設計某種多原子量子糾纏，因為原子相互作用的能力比基態的兩個原子強得多，”拉曼說。

“里德伯原子也可能推進未來的傳感器技術，因為它們對力的通量或電子場中的電子尺度小于電子尺度敏感，”Ayazi說。“它們也可用于量子信息處理。”

石版印刷硅槽

研究人員設計了一種令人驚訝的方法來制造新的準直器，這可能會鼓勵制造商采用它：它們通過平行于其平面的硅晶片切割長而極窄的通道。這些通道就像霰彈槍并排排列，射出一排原子束。

硅是原子飛過的極其光滑的材料，并且還用于許多現有的微電子和計算技術中。這為將這些技術與芯片與新型微型準直器相結合提供了可能性。用于蝕刻現有芯片技術的光刻技術被用于精確切割準直器的通道。

研究人員最大的創新大大減少了類似鳥槍的噴霧，即信號噪音。他們在通道中切出兩個間隙，形成三組平行的桶陣列的對齊級聯。

以傾斜角度飛行的原子跳出間隙處的通道，并且在第一通道陣列中合理平行的那些原子繼續到下一個通道，然后該過程從第二通道重復進入第三通道陣列。這使得新準直器的原子束具有非凡的直線度。