Det är häftigt att vara liten. Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har miniatyriserat de optiska komponenterna som krävs för att kyla atomer ner till några tusendelar av en grad över absolut noll, det första steget i att använda dem på mikrochips för att driva en ny generation super-exakta atomur, aktivera navigering utan GPS, och simulera kvantsystem.

Kylning av atomer motsvarar att bromsa dem, vilket gör dem mycket lättare att studera. Vid rumstemperatur, atomer susar genom luften med nästan ljudets hastighet, cirka 343 meter per sekund. Den snabba, slumpmässigt rörliga atomer har bara flyktig interaktion med andra partiklar, och deras rörelse kan göra det svårt att mäta övergångar mellan atomenerginivåer. När atomer saktar ner till en krypning – cirka 0,1 meter per sekund – kan forskare mäta partiklarnas energiövergångar och andra kvantegenskaper tillräckligt noggrant för att kunna användas som referensstandarder i en myriad av navigering och andra enheter.

I mer än två decennier, forskare har kylt atomer genom att bombardera dem med laserljus, en bragd för vilken NIST -fysikern Bill Phillips delade Nobelpriset i fysik 1997. Även om laserljus vanligtvis skulle aktivera atomer, får dem att röra sig snabbare, om ljusets frekvens och andra egenskaper väljs noggrant, det motsatta händer. När man träffar atomerna, laserfotonerna minskar atomernas rörelsemängd tills de rör sig tillräckligt långsamt för att fångas av ett magnetfält.

Men för att förbereda laserljuset så att det har egenskaperna att kyla atomer krävs vanligtvis en optisk enhet lika stor som ett matbord. Det är ett problem eftersom det begränsar användningen av dessa ultrakalla atomer utanför laboratoriet, där de kan bli ett nyckelelement i mycket exakta navigationssensorer, magnetometrar och kvantsimuleringar.

Nu har NIST-forskaren William McGehee och hans kollegor tagit fram en kompakt optisk plattform, bara cirka 15 centimeter (5,9 tum) lång, som kyler och fångar gasformiga atomer i ett 1-centimeter brett område. Även om andra miniatyrkylsystem har byggts, detta är den första som enbart bygger på platt, eller plan, optik, som är lätta att massproducera.

"Detta är viktigt eftersom det visar en väg för att göra riktiga enheter och inte bara små versioner av laboratorieexperiment, " sa McGehee. Det nya optiska systemet, medan den fortfarande är cirka 10 gånger för stor för att få plats på ett mikrochip, är ett viktigt steg mot att använda ultrakalla atomer i en mängd kompakta, chipbaserad navigering och kvantenheter utanför laboratoriemiljö. Forskare från Joint Quantum Institute, ett samarbete mellan NIST och University of Maryland i College Park, tillsammans med forskare från University of Marylands Institute for Research in Electronics and Applied Physics, bidrog också till studien.

Apparaten, beskrivs online i New Journal of Physics, består av tre optiska element. Först, ljus sänds ut från en optisk integrerad krets med hjälp av en enhet som kallas extremlägesomvandlare. Omvandlaren förstorar den smala laserstrålen, initialt cirka 500 nanometer (nm) i diameter (cirka fem tusendelar av tjockleken av ett människohår), till 280 gånger den bredden. Den förstorade strålen träffar sedan en noggrant konstruerad, ultratunn film känd som en "metayta" som är översållad med små pelare, ca 600 nm lång och 100 nm bred.

Nanopelarna agerar för att ytterligare bredda laserstrålen med ytterligare en faktor 100. Den dramatiska breddningen är nödvändig för att strålen effektivt ska kunna interagera med och kyla en stor samling atomer. Dessutom, genom att utföra den bedriften inom ett litet område av rymden, metaytan miniatyriserar kylningsprocessen.

Metasytan omformar ljuset på två andra viktiga sätt, samtidigt ändra intensiteten och polariseringen (vibrationsriktningen) för ljusvågorna. Vanligtvis, intensiteten följer en klockformad kurva, där ljuset är starkast i mitten av strålen, med en gradvis nedgång på båda sidor. NIST-forskarna designade nanopelarna så att de små strukturerna modifierar intensiteten, skapa en stråle som har en enhetlig ljusstyrka över hela sin bredd. Den enhetliga ljusstyrkan möjliggör effektivare användning av det tillgängliga ljuset. Polarisering av ljuset är också avgörande för laserkylning.

Den expanderande, omformad stråle träffar sedan ett diffraktionsgaller som delar den enda strålen i tre par lika och motsatt riktade strålar. I kombination med ett applicerat magnetfält, de fyra strålarna, trycka på atomerna i motsatta riktningar, tjänar till att fånga de kylda atomerna.

Varje komponent i det optiska systemet - omvandlaren, metaytan och gallret – hade utvecklats vid NIST men var i drift vid separata laboratorier på de två NIST-campusen, i Gaithersburg, Maryland och Boulder, Colorado. McGehee och hans team sammanförde de olika komponenterna för att bygga det nya systemet.

"Det är det roliga med den här historien, " sa han. "Jag kände alla NIST-forskare som självständigt hade arbetat med dessa olika komponenter, och jag insåg att elementen kunde sättas ihop för att skapa ett miniatyriserat laserkylningssystem."

Även om det optiska systemet måste vara 10 gånger mindre för att laserkalla atomer på ett chip, experimentet "är ett principbevis på att det kan göras, " tillade McGehee.

"I sista hand, att göra ljusberedningen mindre och mindre komplicerad kommer att möjliggöra laserkylningsbaserad teknik att existera utanför laboratorier, " han sa.