微型化领域正迎来第三次革命

——原子芯片的研究将获突破

2015年05月21日  来源：科技日报　　作者：记者 冯志文

　　科技日报特拉维夫5月18日电　原子芯片的研究前景十分诱人，相关应用技术成果即将突破，而以色列在原子芯片研究方面取得的成果令人印象深刻。近日，记者参观了以色列本古里安大学纳米尺度系统实验室，采访了该实验室原子芯片组负责人罗恩·福尔曼教授。

　　新一代实验室：建在量子理论基础之上

　　以色列本古里安大学纳米尺度系统实验室从2003年开始建设，投资2000多万美元，目前除了进行基础研究外，还是世界上为数不多的加工出口原子芯片的实验室。

　　按照实验室的创建人福尔曼教授的说法，该实验室完全不同于任何一家以半导体物理理论为基础的芯片实验室，而是建立在量子理论基础上的新一代原子芯片实验室，是材料工程与量子光学结合的产物。实验室拥有最先进的超真空阀、激光冷却仪、原子注入设备、探测仪和全套软件分析控制系统。

　　该实验室可以方便地实现超冷原子的制备、探测和操纵，研究玻色—爱因斯坦凝聚态下原子的特性，为人类设计精确度更高的原子钟、制造更精确的重力测试仪，甚至实现量子信息储存、光的储存及开发量子计算机等打开大门。

　　福尔曼认为，微型化领域已发生了两次革命，第一次是电子设备微型化革命，第二次是光子设备微型化革命，现在要迎接第三次革命，即原子和量子粒子设备微型化革命。他认为，与纳米技术紧密相连的量子技术革命，将材料科学的进步和量子世界连接起来，给原子设备微型化革命带来了希望。

　　技术实际应用：精密测量成果初见端倪

　　原子芯片目前有两个重要的研究方向，一是量子精密测量，包括芯片原子钟、原子干涉仪、磁强计等；二是量子系统基本性质的研究以及在量子信息方面的应用，例如原子压缩态、量子逻辑门等。这两方面的研究紧密相连，后者的应用相对遥远，而前者的应用成果已经初现端倪。

　　原子干涉仪，又叫物质波干涉仪，是原子芯片的一个重要研究方向。福尔曼教授在理论上提出了多模波导型物质波干涉仪和利用时间反演对称性构造非相干物质波源的波导型陀螺仪。目前他和他的小组在实验室的两个BEC平台上都进行着原子干涉仪的实验，已实现了原子芯片上利用斯特恩—格拉克效应进行相干分束的物质波干涉，为如何实现大动量差的原子相干分束提供了一种方案；该实验室还验证了在距离芯片表面仅5到6微米处物质波的空间相干性能得到长时间的保持，这为将来实现量子电路提供了参考。

　　原子芯片还可实现原子钟的微型化；利用原子量子粒子对加速敏感的特点，开发深空探测导航设备；利用量子粒子对磁场特别敏感的特性，开发出灵敏度最高的磁场探测仪；还可以开发用于银行间通讯的绝对安全的量子通讯系统等。

　　原子芯片上不仅可以集成导线，也可以集成更多的元件，例如纳米管、永磁体、超导体、金刚石等。本古里安大学纳米尺度系统实验室不仅为自己加工原子芯片，也承揽对外加工业务。到目前为止，已为美国和欧洲的多所大学和公司加工了各种原子芯片和离子芯片。

　　技术领域竞争：独特研究引起多方关注

　　本古里安大学纳米尺度系统实验室的独特研究引起了以色列军方和英特尔公司的关注。据福尔曼教授介绍，以色列著名军工企业以色列飞机工业公司和他建立了合作关系，主要开发磁强计。英特尔公司正在和他一起研究，设计建设新一代芯片实验室。

　　超冷原子芯片的重要意义在于使玻色—爱因斯坦凝聚实验设备小型化。如果这些原子芯片制备简便并稳定可靠，将会激发新的重大应用，带动纳米、刻痕极微小的超级集成电路、精密测量等技术的快速发展，产生不可估量的影响。全球一批顶尖实验室正在该领域展开激烈竞争。

　　中国科学家在2002年首次实现了铷原子的玻色—爱因斯坦凝聚，2008年开发出了实现玻色—爱因斯坦凝聚的原子芯片。但相比以色列，无论在理论、工艺、稳定性方面都有很大差距，尤其在应用开发方面，还相对滞后。随着英特尔和以色列飞机工业公司的加入，以色列在该领域的应用技术研究将快速发展。在这一领域，中国应不为人后，努力加强对原子芯片的研究，紧跟国际先进水平。