Till en icke-fysiker, en "atomisk strålkollimator" kan låta som en fasare som avfyrar mystiska partiklar. Det kanske inte är den värsta metaforen för att introducera en teknik som forskare nu har miniatyriserat, vilket gör det mer sannolikt att en dag landa i handhållna enheter.

I dag, atomstrålekollimatorer finns mestadels i fysiklabb, där de skjuter ut atomer i en stråle som producerar exotiska kvantfenomen och som har egenskaper som kan vara användbara i precisionsteknologier. Genom att krympa kollimatorer från storleken på en liten apparat för att passa på en fingertopp, forskare vid Georgia Institute of Technology vill göra tekniken tillgänglig för ingenjörer som utvecklar enheter som atomur eller accelerometrar, en komponent som finns i smartphones.

"En typisk enhet du kan göra av detta är ett nästa generations gyroskop för ett precisionsnavigeringssystem som är oberoende av GPS och kan användas när du är utanför satellitens räckvidd i en avlägsen region eller reser i rymden, sade Chandra Raman, en docent vid Georgia Tech's School of Physics och en medföreståndare för studien.

Forskningen finansierades av Office of Navy Research. Forskarna publicerade sina resultat i tidskriften Naturkommunikation den 23 april, 2019.

Här är vad en kollimator är, en del av kvantpotentialen i atomstrålar, och hur miniatyrkollimatorformatet kan hjälpa atomstrålar att forma nya generationer av teknologi.

Pocket atomic shotgun

"Kollimerade atomstrålar har funnits i decennier, " sa Raman, "Men för närvarande, kollimatorer måste vara stora för att vara exakta."

Atomstrålen börjar i en låda full av atomer, ofta rubidium, upphettas till en ånga så att atomerna snurrar omkring kaotiskt. Ett rör tappar in i lådan, och slumpmässiga atomer med rätt bana skjuter in i röret som pellets som kommer in i pipan på ett hagelgevär.

Som pellets som lämnar ett hagelgevär, atomerna lämnar änden av röret och skjuter ganska rakt men också med en slumpmässig spray av atomskott som flyger i sneda vinklar. I en atomstråle, att sprayen producerar signalbrus, och den förbättrade kollimatorn-on-a-chip eliminerar det mesta för en mer exakt, nästan perfekt parallell stråle av atomer.

Strålen är mycket mer fokuserad och ren än strålar som kommer från befintliga kollimatorer. Forskarna skulle också vilja att deras kollimator skulle göra det möjligt för experimentella fysiker att mer bekvämt skapa komplexa kvanttillstånd.

Orubblig tröghetsmaskin

Men mer omedelbart, kollimatorn sätter upp newtonsk mekanik som kan anpassas för praktisk användning.

De förbättrade strålarna är strömmar av orubblig tröghet eftersom, till skillnad från en laserstråle, som är gjord av masslösa fotoner, atomer har massa och därmed rörelsemängd och tröghet. Detta gör deras strålar potentiellt idealiska referenspunkter i stråldrivna gyroskop som hjälper till att spåra rörelse och platsförändringar.

Aktuella gyroskop i GPS-fria navigationsenheter är exakta på kort sikt men inte på lång sikt, vilket innebär att omkalibrera eller byta ut dem så ofta, och det gör dem mindre bekväma, säga, på månen eller på Mars.

"Konventionella chip-skala instrument baserade på MEMS (mikroelektromekaniska system) teknologi lider av drift över tiden från olika påfrestningar, " sa medföreståndare Farrokh Ayazi, som är Ken Byers professor vid Georgia Techs School of Electrical and Computer Engineering. "För att eliminera den driften, du behöver en absolut stabil mekanism. Den här atomstrålen skapar den typen av referens på ett chip."

Quantum intrasslingsstråle

Värmeexciterade atomer i en stråle kan också omvandlas till Rydberg-atomer, som ger ett ymnighetshorn av kvantegenskaper.

När en atom får tillräckligt med energi, dess yttersta kretsande elektron stöter ut så långt att atomen ballonger i storlek. kretsar så långt ut med så mycket energi, den yttersta elektronen beter sig som den ensamma elektronen i en väteatom, och Rydberg-atomen fungerar som om den bara hade en enda proton.

"Du kan konstruera vissa typer av fleratoms kvantintrassling genom att använda Rydberg-tillstånd eftersom atomerna interagerar med varandra mycket starkare än två atomer i grundtillståndet, sa Raman.

"Rydberg-atomer kan också utveckla framtida sensorteknologier eftersom de är känsliga för kraftflöden eller i elektroniska fält som är mindre än en elektron i skala, "Ayazi sa. "De kan också användas i kvantinformationsbehandling."

Litograferade kiselspår

Forskarna utarbetade ett förvånansvärt bekvämt sätt att göra den nya kollimatorn, vilket skulle kunna uppmuntra tillverkare att ta till sig det:De skär länge, extremt smala kanaler genom en silikonskiva som löper parallellt med dess plana yta. Kanalerna var som hagelgevärspipor uppradade sida vid sida för att skjuta ut en rad atomstrålar.

Kisel är ett exceptionellt glatt material för atomerna att flyga igenom och används också i många befintliga mikroelektronik- och datortekniker. Det öppnar för möjligheten att kombinera dessa teknologier på ett chip med den nya miniatyrkollimatorn. Litografi, som används för att etsa befintlig chipteknologi, användes för att exakt skära kollimatorns kanaler.

Forskarnas största innovation minskade kraftigt den hagelgevärliknande sprayen, dvs signalbruset. De skar två luckor i kanalerna, bildar en inriktad kaskad av tre uppsättningar parallella uppsättningar av fat.

Atomer som flyger i sneda vinklar hoppar ut ur kanalerna vid mellanrummen och de som flyger någorlunda parallellt i den första uppsättningen av kanaler fortsätter till nästa, sedan upprepas processen från den andra till den tredje uppsättningen av kanaler. Detta ger den nya kollimatorns atomstrålar sin exceptionella rakhet.