Miniaturized vacuum package for magneto-optical trapping of strontium

تخيل عالماً لم تعد فيه أكثر الساعات والمستشعرات دقة على الإطلاق محصورة في مختبرات ضخمة وخاضعة للتحكم المناخي، بل يمكن أن تتسع داخل حقيبة سفر أو حتى داخل مركبة. هذا هو هدف الاستشعار الكمي، وهو مجال يستخدم القواعد الغريبة لعالم الكم لقياس الوقت والجاذبية والحركة بدقة مذهلة. وفي قلب هذه الأجهزة تكمن الذرات، وتحديداً ذرات السترونشيوم، التي تعمل كآلية التوقيت لهذه الأدوات فائقة الدقة. لاستخدامها، يجب على العلماء أولاً الإمساك بهذه الذرات وإبطاء سرعتها إلى حالة من السكون شبه التام، وهي عملية تتطلب غرفة مفرغة للحفاظ على الذرات من الاصطدام بجزيئات الهواء، ومصدراً لإطلاق الذرات، ونظاماً من الليزر والمغناطيسات لاحتجازها. تقليدياً، كان هذا المعدات ضخمة، وتستهلك الكثير من الطاقة، ومعقدة، مما يجعل من المستحيل نقلها إلى الميدان. وكان التحدي دائماً يكمن في كيفية تقليص حجم هذا الإعداد التقني الحساس دون فقدان قدرته على العمل.

لقد اتخذ فريق من الباحثين الآن خطوة كبيرة نحو حل هذه المشكلة من خلال ابتكار عبوة مفرغة لذرات السترونشيوم صغيرة بما يكفي لتستقر في راحة اليد. الجهاز، الذي تبلغ سعة حجمه الإجمالية 750 ملليلتر فقط، نجح في احتجاز وتبريد ما يصل إلى 100,000 ذرة سترونشيوم باستخدام أقل من واط واحد لتسخين المصدر الذري. ويعتمد هذا الإنجاز على دمج عدة تقنيات جديدة في وحدة واحدة مدمجة. فبدلاً من الأفران الكبيرة والثقيلة ومصفوفات المرايا المعقدة المطلوبة عادةً، استخدم الفريق شريحة صغيرة مصنوعة من السيليكا المنصهرة لحمل السترونسيوم، وشريحة أخرى ذات نمط تدرج خاص لاحتجاز الذرات باستخدام شعاع ليزر واحد فقط. وتستقر هذه الشرائح داخل غرفة مفرغة لم تُنحت من المعدن، بل بُنيت طبقة تلو الأخرى باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد من التيتانيوم، مما سمح بشكل وحجم يستحيل تصنيعهما بالأدوات التقليدية.

إن قلب هذا النظام الجديد هو المصدر الذري، الذي يحل محل الأفران الثقيلة عالية الطاقة المستخدمة في الماضي. فقد استخدم الباحثون شريحة ذات بنية مجهرية حيث يحمل مستودع صغير السترونشيوم الصلب. ولإطلاق الذرات، قاموا بتسخين هذا المستودع باستخدام تيار كهربائي صغير يتدفق عبر لولب من معدن البلاتين المطبوع مباشرة على الشريحة. ولأن الشريحة مصممة بنوابض رقيقة تعمل كعوازل حرارية، فإن كمية ضئيلة جداً من الحرارة تتسرب، مما يعني أن النظام بأكمله يمكنه العمل بقدرة تسخين تقل عن واط واحد. وبمجرد إطلاق الذرات، فإنها تندفع للأعلى نحو منطقة احتجاز يتم إنشاؤها بواسطة شريحة ثانية. وتتميز هذه الشريحة الثانية بتدرج حيود، وهو سطح ذي خطوط مجهرية يعمل على تقسيم شعاع ليزر واحد وارد إلى الأشعة المتعددة اللازمة للإمساك بالذرات وتبريدها من جميع الاتجاهات. هذا التصميم الذكي يلغي الحاجة إلى متاهة معقدة من المرايا والعدسات، مما يقلل بشكل كبير من حجم ووزن الإعداد البصري.

وقد تطلب إيواء هذه المكونات الدقيقة غرفة مفرغة كانت صغيرة للغاية وقادرة في الوقت نفسه على الحفاظ على فراغ فائق العلو. اختار الفريق تصنيع جسم الغرفة من التيتانيوم باستخدام التصنيع الإضافي، وهي عملية يتم فيها صهر مسحوق المعدن طبقة تلو الأخرى بواسطة الليزر. وقد سمحت هذه الطريقة بإنشاء حاوية ذات شكل مخصص مع ميزات مدمجة، مثل قنوات تبريد المياه للمغناطيسات ومنافذ ذات أحجام مخصصة لأشعة الليزر، وهي أصغر بكما من الحواف الصناعية القياسية المستخدمة عادة في مثل هذه التجارب. والنتيجة هي غرفة أكثر دمجاً مما كان ممكناً في السابق. ولإبقاء الهواء في الخارج، قام الفريق أيضاً بدمج نوع جديد من مضخات الفراغ مباشرة داخل الغرفة. هذه المضخة لا تعتمد على مغناطيسات كبيرة وثقيلة لتعمل؛ بل تستخدم شريحة سيليكون تطلق إلكترونات لتأيين أي جزيئات غاز متبقية، والتي يتم بعد ذلك التقاطها بواسطة قطب كهربائي تفاعلي. وهذا التصميم الخالي من المغناطيس أمر بالغ الأهمية للتطبيقات المتنقلة، لأنه يمنع المضخة من التداخل مع المجالات المغناطيسية الحساسة المستخدمة لاحتجاز الذرات.

عندما اختبر الباحثون ابتكارهم، وجدوا أن النظام عمل تماماً كما هو مخطط له. فقد قاموا بتحميل مستودع الذرات بالسترونشيوم وتسخينه، مما تسبب في تبخر الذرات وصعودها إلى منطقة الاحتجاز. وباستخدام شعاع ليزر واحد والمجال المغناطيسي الناتج عن ملفات ملفوفة حول الغرفة، نجحوا في احتجاز سحابة من 100,000 ذرة سترونشيوم. تطلبت العملية برمتها إجمالي قدرة تسخين أقل من واط واحد، وهو جزء ضئيل مما تحتاجه الأنظمة التقليدية. وقد تم قياس ضغط الفراغ داخل الغرفة عند مستوى يسمح للذرات بالبقاء لفترة قصታ، رغم أن الباحثين أشاروا إلى أن الضغط كان أعلى قليلاً من المستوى المثالي بسبب قرب الفرن الساخن. ولاحظوا أن عدد الذرات المحتجزة يزداد مع إضافة المزيد من طاقة الليزر، قبل أن يستقر عند رقم ثابت. ورغم أن النظام لم يصل بعد إلى مستويات الأداء القصوى الموجودة في المختبرات الكبيرة، إلا أن النتائج أثبتت أن وجود مستشعر كمي مدمج بالكامل هو أمر في المتناول.

كما اختبر الباحثون أيضاً دمج مضخة الفراغ الجديدة في غرفة مفرغة مماثلة. وعلى الرغم من أن تسرباً صغيراً في إعداد الاختبار منعهم من قياس القدرة الكاملة للمضخة في فراغ مثالي، إلا أن الجهاز أظهر بوضوح تأثيراً في الضخ، حيث خفض الضغط عند تشغيله. وقد أكد هذا أنه يمكن بناء المضخة بنجاح داخل الغرفة المدمجة وتشغيلها جنباً إلى جنب مع المكونات الأخرى. وتشير الدراسة إلى أنه من خلال تحسين التلامس الحراري بين السترونشيوم ومستودعه، أو من خلال تحسين ختم الفراغ، يمكن زيادة عدد الذرات المحتجزة بشكل أكبر. إن هذا العمل يثبت أن الجمع بين المصادر الذرية القائمة على الشرائح، والاحتجاز عبر شعاع واحد، وغرف التيتانيوم المصنعة بالطباعة ثلاثية الأبعاد، ومضخات الفراغ الخالية من المغناطيس، يمكن أن يجتمع معاً لإنشاء مصدر مدمج للغاية للذرات المبردة بالليزر. ويمهد هذا التكامل الطريق للجيل القادم من المستشعرات الكمية التي يمكن نشرها خارج المختبر، مما ينقل دقة الساعات الذرية وأجهزة قياس الجاذبية إلى الميدان.