可控原子源的制作方法

本發明涉及用于制造受控原子源，特別是用于冷原子應用的方法和裝置。

背景技術：

產生特定原子種類的可捕獲原子的蒸氣的能力對于冷原子裝置，例如那些包括在真空條件下受到激光冷卻的原子蒸氣源的冷原子裝置，是很有用的。這類裝置包括那些在其中使原子在真空條件下被從背景氣體或原子束中捕獲的裝置。

有許多理想的實際應用需要用到特定原子的可捕獲原子蒸氣源。例如，特定原子的原子蒸氣源對于生產光學時鐘(其使用激光冷卻的原子)和原子干涉儀(其可被用作重力傳感器或重力梯度傳感器)是很理想的。此外，原子蒸氣源對于有關玻色－愛因斯坦凝聚的實驗也是理想的。

用于產生可捕獲原子的原子蒸氣的一種已知方法是使用在常溫下具有足夠蒸氣壓的材料，并將該材料的大樣置于真空室中。通過使用位于材料源和實驗真空室之間的閥門來控制原子蒸氣的供應。然而，如果包含所需原子種類的材料在環境溫度下僅具有微小的蒸氣壓，則這種產生原子蒸氣的方法不能使用。

更加通用的、用于為更大的原子種類范圍產生可捕獲原子的原子蒸氣的方法還包括在烘箱中或分配器中加熱所需原子種類的大樣，從而產生必要的熱能以使材料蒸發或升華至真空室中。然而，由于烘箱固有地產生熱量，使用帶有冷原子裝置的烘箱本質上是有問題的，而且為了分隔熱源(及隨之產生的背景輻射)和裝置中需要低溫的部分，可能會導致裝置體積變大。以原子鐘為例，熱量可以產生原子線的相關偏移，并因此產生時鐘或頻率輸出的相關偏移。因此，利用烘箱產生原子蒸氣的光學時鐘往往相對較大，并且它們也缺乏精細控制。

如上所述，用于產生原子蒸氣的已知方法可能難于控制，在執行詳盡且精確的實驗或工藝時，這可能被證明是特別有問題的。在現有技術中，為了解決這個問題，已知的是在通過使用光誘導原子解吸(LIAD)在多室設置中產生原子蒸氣時實現更高的控制，由此，通過將光照射到真空室壁上來促使已經粘附到真空室內壁的原子解吸。在這種情況下，吸附的原子可能稀疏地或零散地分布，因此將不確定性的因素引入到該過程中，由此原子的位置和密度可能不能滿足使用原子蒸氣的應用的要求。然而，LIAD僅適合于和一些原子種類配合使用，并且除了用于最初產生原子蒸氣的烘箱或其他裝置之外，還需要中間設備，從而增加了裝置的尺寸和復雜性。

對于一些冷原子裝置和應用，包括光學時鐘，堿土金屬的原子如鍶原子是可取的。目前尚未發現LIAD對這些原子是有效的。烤箱的常規使用導致背景熱輻射的困難。當材料已經反應形成更穩定的化合物時，通過用熱力學手段加熱大樣，例如金屬，來產生原子蒸氣的難度甚至會變得更加困難(例如，氧化鍶的熔點/沸點和熔化/蒸發所需的能量顯著的高于鍶)。在這種材料中引起相變所需的溫度非常高，將導致需要冷原子的處理系統中存在過多的熱能。

除了利用冷原子的應用外，可靠且可控的特定種類的原子蒸氣源可作為理想的原子熱源，其中熱原子至少可以用于以下示例性領域：測磁學(應用于醫學領域，例如，在其中熱原子可被用于進行諸如腦電圖的實驗的領域)；表面科學(利用發射的原子涂敷表面)；離子物理學(例如，用于離子原子碰撞物理學，在其中可以在離子-原子碰撞中測量散射截面、電荷傳遞截面等)；生物科學(探索堿性原子(鍶、鐿、鎂……)與大生物分子之間的相互作用，所述大生物分子包括DNA和其他分子，這樣例如鍶(Sr)離子可通過將電子共享/轉移到鍶離子來與生物分子反應，這可能導致鍵或只是電荷的轉移)；化學(例如，包括超冷分子在內的分子的形成和特別是針對超冷分子的量子水平上的反應的控制，)；和納米技術(例如，在襯底上創建原子級結構，可與激光冷卻技術相結合)。

原子可通過“激光燒蝕”與大樣分離，其中激光指向大樣本身(與用LIAD處理的吸附原子相反)。這種性質的激光燒蝕很可能產生太多熱量，以使其成為產生用于激光冷卻的可捕獲原子的良好方法。常規的激光燒蝕技術往往導致原子形成等離子體，因此可能并不適用于所有的應用。

用于通過激光燒蝕從樣品分離原子的最常見的機制是提供足夠的能量以局部地加熱樣品，通過加熱產生足夠的熱能來進行蒸發或升華，從而形成原子蒸氣。因此，這些技術依賴于熱能，并且遭受烘箱的至少一些缺點的影響。一種使用飛秒脈沖的替代的激光燒蝕技術通過電離分離原子的，產生高能量自由電子，其通過靜電力將離子從樣品中拉出。這類飛秒技術需要非常高功率的脈沖和脈沖之間的足夠的時間間隙，這影響蒸氣中原子的可控性和速度。

為了減輕根據本發明所述的上述問題和缺點中的至少一些，提供了如所附的權利要求中所要求保護的方法和裝置。

附圖說明

現在僅以示例性的方式描述本發明的實施例，請參照附圖，其中：

圖1為用于產生原子蒸氣的裝置的示意圖；

圖2為用于產生鍶原子的原子蒸氣的裝置的示意圖；

圖3為用于產生和測量鍶原子的原子蒸氣的裝置的示意圖；

圖4為從例如氧化物的中間化合物產生原子蒸氣的方法的流程圖。

具體實施方式

為了在不產生任何明顯的熱量的情況下產生具有特定原子種類的原子蒸氣，這里描述了一種裝置和方法。

圖1顯示了裝置10，其用于生成具有特定種類20的原子蒸氣。這里示出了真空室14，具有種類20的原子蒸氣在其中被理想地生成。真空室14連接到一個或多個真空泵(未示出)。真空室14中的壓力通過壓力計(未示出)來測量。

包括將被用于產生原子蒸氣20的原子種類的樣品材料18被放置在真空室14中的容器16中。真空室14被抽空，直到建立起足夠高的真空度。一旦真空室14內建立起足夠高的真空度，就使用激光器12將光導向到樣品18的表面上。確定激光器12的頻率和強度，從而在使用中生成原子蒸氣20。

激光器12位于真空室14外部，來自激光器12的激光通過光學上足夠透明的窗口15被引導到真空室14中。當激光器12在樣品材料18上照射光線時，特定種類20的原子蒸氣被產生。當激光器12未在塊材18上照射光時，特定種類20的原子蒸氣不會被產生。產生的原子蒸氣20的量是由激光器12發射的光通量的函數。通過改變入射在樣品18上的光通量，可以控制所產生的原子蒸氣20的量。這可以通過改變來自激光的光子的數量來控制。產生自樣品的任何給定區域的蒸氣的量也可以通過改變激光能量集中在樣品上的總面積來改變。

為了生成原子蒸氣20，來自激光器12的激光的頻率高于被發現是打破樣品材料18中的鍵所需的頻率。

優選的，來自激光器12的激光在樣品中產生相對小的局部熱量。令人驚奇的是，已發現通過正確選擇激光的頻率及樣品的選擇和/或處理，可以用比通過加熱蒸發或升華樣品材料18所需的能量更少的能量來產生原子蒸氣。如果激光的強度太高，該過程將被熱能的產生(由于缺陷處的光子吸收，聲子產生等所致的熱能產生)所支配，導致樣品材料18熔化和蒸發，或直接升華。這可以產生原子蒸氣，但背景熱輻射可能會對一些應用造成困難并導致較低的可控性。

已發現的是，產生良好結果的樣品的選擇和/或處理可能明顯不同于將會被做出以便用來通過熱提供蒸氣的選擇。例如，作為金屬的樣品材料18的金屬鍵可能需要相對較低的熱能產生原子蒸氣，但是更穩定的化合物，例如氧化的金屬樣品材料18將通常需要較高的熱能以蒸發或直接升華材料。因此，通常認為氧化的金屬樣品不太適合作為樣品來提供金屬原子的蒸氣。然而，根據本發明已經發現，理想種類的中間化合物，包括具有比塊體金屬更高的熔點的氧化物，可能是有利的。產生較少的熱能是較好的，而且產生的熱能少于蒸發或升華樣品材料18所需的熱能，同時替代地依賴其他機制來產生原子蒸氣20是可行的。相信本發明可以打破中間化合物的分子鍵，從而獲得所需種類的原子。

裝置10以源的形式連接到另一個裝置(未示出)，該另一個裝置可以是光學時鐘、原子干涉儀或用于波色-愛因斯坦凝聚實驗的裝置中的一個。

現在參考圖2描述上面所述的方法和裝置的一個示例，其涉及鍶原子蒸氣的生成。鍶原子蒸氣可以用作光學時鐘、原子干涉儀的一部分，或作為波色-愛因斯坦凝聚實驗的一部分(未示出)。

圖2顯示了用于生成鍶的原子蒸氣39的裝置30。這里顯示了真空室14，鍶的原子蒸氣39依照預期地被成在其中。

制備包含鍶的大樣38，并將其插入真空室14中。為制備樣品38，將純鍶置于空氣中氧化，形成一層氧化鍶，然后再放置于真空室14中的坩堝36中。典型的鍶的大樣為一塊鍶顆粒(99％微量金屬基點，浸油)，具有幾立方毫米的數量級。用包括丙酮和異丙醇在內的溶劑清洗鍶，以去除油膜。隨后，將鍶暴露于空氣中數小時，使其反應形成一層氧化鍶。該氧化鍶被置于真空室14中，與純鍶金屬比較時，該氧化鍶對于肉眼可能呈現出不同的顏色。

將真空室14抽空，直到建立足夠高的真空度。10^-8毫巴的數量級的真空度或更好的真空度是適宜的。一旦真空室14中建立起足夠高的真空度，就使用激光二極管32來輻照氧化的鍶大樣38的表面。該激光二極管32位于真空室14外部，距離氧化的鍶大樣38約10cm距離，并且光通過光學上足夠透明的窗口15被引導到真空室14中。激光二極管32發出的激光被通過透鏡22聚焦到氧化的鍶大樣38上。當激光二極管32將光照射在塊體材料18上時，當激光束強度足夠時，即產生鍶的原子蒸氣39。當激光二極管32不將光照射在塊體材料38上時，或激光強度不足時，不會產生鍶的原子蒸氣39。所產生的原子蒸氣39的量是激光二極管32發出的光通量的函數。所產生的原子蒸氣39的量可通過改變照射在大樣38上的激光器12的功率來控制。

激光二極管32產生405nm波長的光。可替代的，其他波長的光也可以被用來實現相同的效果。尤其地，不同波長可以用于不同的樣品材料。

透鏡22為丙烯酸透鏡，具有4mm的焦距。透鏡22放置于真空室14外部，但比激光器12更靠近樣品18。激光器12生成直徑約2mm的光束，用所述透鏡將激光聚焦到尺寸約50-100微米的光斑上。采用透鏡以此方式聚焦，可自合適尺寸區域產生適宜強度的蒸氣，從而可以控制和優化蒸氣的速率，但透鏡和聚焦步驟對于產生蒸氣并非必需的。在其他實施例中，透鏡22由用于以可用方式聚焦激光束的任何合適材料制成。

如圖2所示，激光二極管32位于真空室14外部，從而給激光二極管32提供路徑，以便于以產生原子蒸氣39所必需的方式來定位和排列該激光二極管及其產生的光。然而，備選的，激光二極管32也可位于真空室14內部，從而減少通過光學窗口的任何衰減，允許激光二極管可更直接的定位于大樣39的旁邊。

激光二極管32發出的光的強度可通過改變激光二極管32的激光功率和脈沖持續時間來控制。在大約7mW至70mW范圍內的激光功率可提供良好的結果，并且通常地，使用10mW數量級的激光功率以生成可控量的鍶原子。可以使用連續波激光器12，其相對于脈沖激光器更為有利。

可以調整氧化的鍶大樣38、透鏡22和激光二極管32之間的距離，以便將鍶的原子蒸氣39從樣品給定區域生成的效率最大化。

可以使用鍶以外的不同金屬，例如鈹、鎂、鈣、鋇或鐳(堿土金屬)，鐿或堿金屬，從而生成包含堿土金屬、鐿或堿金屬的不同的原子蒸氣39。樣品材料38可以是該等金屬或土金屬的氧化物或氫氧化物。

在上述參考圖2的實施例中，描述了包含鍶的大樣38。然而，如上所述，樣品材料38可以為金屬或土金屬的氧化物。為了產生更連續和/或穩定的鍶發射物，選用氧化鍶粉末作為樣品材料38可能是有益的。在一種有效的方法中，可通過將氧化鍶粉末與丙酮混合形成糊劑來制備氧化鍶樣品。隨后將該糊劑在盤中干燥，產生薄膜。由于在正常環境條件下，丙酮可快速從其液態蒸發到其氣態，因而選用丙酮作為溶劑，使得干粉薄膜在盤中形成，隨后該薄膜被置于真空中，在那里它隨后被以激光進行輻照。因此，在隨后將氧化鍶粉末引入真空室14之前，殘留的氧化鍶粉末薄膜是不含丙酮的。

為了制造糊劑，可以使用體積比約1:1的丙酮和鍶來制備糊劑。使用約100mg氧化鍶覆蓋約5cm²的表面，提供一層氧化鍶薄層，已發現該氧化鍶薄層可提供特別一致的由后續激光誘導的鍶蒸發。

氧化鍶粉末，例如阿法埃莎88220級產品適合于上述方法的目的。該氧化鍶粉末粒徑為100目。可選的，使用裝置例如研杵和研缽研磨該氧化鍶粉末，以進一步降低粒度。因此，可以最佳地在約5至150微米的尺度范圍內提供該氧化鍶粉末顆粒。然而，也可以提供其他的氧化鍶顆粒尺寸來產生類似的效果。

雖然丙酮可以作為溶劑以產生用于形成氧化鍶粉末薄層的糊劑，但其他的溶劑也可以使用。優選的，溶劑在樣品被引入真空室之前被去除，從而避免真空設備被溶劑污染。通過將糊劑留存在環境條件下，溶劑可以從糊劑中被去除；在所述環境中周圍的溫度會導致溶劑在室溫下蒸發從而被從糊劑中被移除，留下殘余的、干燥的粉狀薄膜。通過改變溶劑，用于從糊劑中去除溶劑的參數也將變化，例如，在將干燥的粉狀薄膜引入真空室，在那里將所述干燥的薄膜用激光輻照之前，可能需要不同的環境溫度或方法來從糊劑中去除溶劑。

制備樣品材料38的薄層的方法可以應用于不同于鍶的其他金屬，例如鈹，鎂，鈣，鋇或鐳(堿土金屬)，鐿或堿金屬，從而產生包括堿土金屬、鐿或堿金屬的不同的原子蒸氣39。樣品材料38可以是該等金屬或土金屬的氧化物或氫氧化物。

圖3顯示了用于生成、檢測及測量原子蒸氣中的鍶原子的裝置40。此處顯示的裝置并不是使用原子蒸氣所必需的(例如，對于光學時鐘中的蒸氣的使用，它就并不是必需的)，而是可以用于測量結果，并且因此也可以用于測量調整參數的效果，以獲得對于任何給定的應用和/或樣品材料的最適合的結果。

參考圖2，描述該裝置與另外兩個元件的應用。

首先，用共振激光器42引導激光束通過第二光學窗口17引導進入真空室14中。共振激光束在460.8nm下工作，并且當鍶原子穿過光束時，可觀察到強熒光，由此證實了鍶原子的存在。該共振激光束的直徑為1mm量級，并具有1至5mW的功率。

其次，顯示了磁光阱(MOT)44(由三條線表示，代表用于捕獲鍶原子的三個正交激光束)，其中MOT 44用于冷卻單個鍶原子。MOT44的三個激光束為功率10mW，且直徑為1.5cm量級的回歸反射圓偏振光束，并且該MOT44還包括具有大約35G/cm的磁場梯度的磁四級場。

使用依照圖2描述的參數生產的原子鍶蒸氣39產生的原子具有足夠低的速度(通常低于50米每秒)，從而可被MOT44捕獲。當激光二極管32以高于閾值的功率輻照氧化的鍶大樣38時，MOT44中可檢測到激光冷卻的鍶原子。

在另外的實施例中，共振激光器42的波長被調整為適于檢測不同的原子蒸氣。可用于為光學時鐘裝置生成原子蒸氣的化合物的示例包括堿土金屬的氧化物和氫氧化物。

圖4是流程圖S100，該流程圖顯示了根據本發明的一個實施例的原子蒸氣生成過程的各個階段。該方法可使用裝置10、30、40來實施，這些裝置在相關的前述任何附圖中已被描述。

通過選擇將會被用于產生原子蒸氣的材料，該方法從的步驟S102開始。正是這些特定種類的材料被期望以原子蒸氣形式來被生產。該將要使用的材料可以是具有在室溫下不足以產生原子蒸氣的蒸氣壓力的材料，例如金屬。

在步驟S104，材料被處理以形成中間化合物。例如，金屬可以被氧化，或者置于有助于產生中間化合物的環境(氣體環境/溫度)下，該中間化合物包含形成原子蒸氣所必需的特定種類。所述的處理，例如金屬的氧化，可以通過將金屬暴露在空氣中或通過在空氣中將金屬加熱的方法來促成。處理材料直至產生足夠量的氧化的樣品以生產足夠量的原子蒸氣用于后續的應用。一旦制備了材料，該過程移動到步驟S106。

在步驟S106，樣品化合物被置于超高真空室中，該超高真空室被抽空直至達到足夠的壓力。然后在步驟S108，可以用激光束輻照該化合物樣品。

在步驟S108，以激光輻照化合物使得化合物的鍵斷裂，并釋放特定種類的原子蒸氣中的原子。當所需特定種類的分壓不足以在通常的不加熱樣品的情況下產生特定種類的原子蒸氣時，該方法特別有利。

優選的，在步驟S104，產生原子蒸氣所需的特定種類的純的材料被處理。然而，在其他實施例中，可以省略該步驟，以原子蒸氣形式存在的、包含所需的特定種類的適合的化合物可以被直接制備或提供，并且在步驟S106被置于真空室中。例如，如圖2所描述的，樣品材料38的薄層粉末，如氧化鍶粉末，可在制備后再被引入真空室。

優選的，被處理以形成中間化合物的樣品為鍶，然而也可使用其他金屬，例如鐿、堿土金屬或堿金屬。優選的，中間化合物為氧化鍶，然而也可以使用其他金屬的氧化物或氫氧化物，包括堿土金屬和堿金屬的氧化物和氫氧化物。優選的，樣品的處理包括將鍶暴露于空氣中，然而也可以使用產生中間化合物的其它方法，例如在特定氣體環境中加熱樣品，或將樣品暴露于特定的化學品或化合物中。