[发明专利]一种原子磁光阱芯片及加工方法

说明书

本发明公开了一种原子磁光阱芯片及加工方法。本发明包括硅晶片和三维磁场线圈，硅晶片顶面中心向下开设的球缺形凹槽，形成反射腔。三维磁场线圈包括嵌在硅晶片顶面的上磁场线圈组和嵌在硅晶片底面的下磁场线圈组；上磁场线圈组包括四个均布在反射腔周围的椭圆形金属环，椭圆形金属环相对反射腔的远端具有开口，形成四个对称布置的开放式椭圆形金属线圈；下磁场线圈组包括两个与反射腔同心的金属圆环，其中内环的投影在四个椭圆形金属环的最小围合空间范围内，内、外金属圆环在同一角度具有开口，形成两个同心布置的开放式圆形金属线圈。本发明在结构上具有光学反射效率高，集成度好，加工简单及使用方便稳定性好的特点。

技术领域

本发明属于量子技术领域，具体涉及到一种集成度高的一种原子磁光阱芯片及加工方法，其特点在于体积小，集成度高，功耗低。

背景技术

原子磁光阱已经被广泛应用于量子信息处理、原子干涉仪、芯片级原子钟、原子重力仪、芯片级原子磁力计等不同场景。传统的原子磁光阱，利用宏观光学与磁场组件，实现了磁光阱系统的光路与磁场构建，系统的结构复杂、装置笨重。原子磁光阱芯片是一种利用微纳加工技术，实现原子囚禁冷却的微型器件。这种器件能够在微尺度下产生可调控的磁场、电场或光场等实现对中性原子冷却，玻色-爱因斯坦凝聚、冷原子云或带电粒子自由度的相关操控。

目前常见的原子磁光阱芯片，也有一些亟待解决的问题，如常用的平面镜原子磁光阱芯片，所产生的磁场势阱的深度有限，且产生的势阱一般情况下距离芯片表面比较近，很难在真空中实现原子囚禁。实际使用中需要先利用宏观磁光阱将原子冷却和囚禁，然后在转移装载到原子磁光阱芯片的微磁阱中，这种结构在实现方法上较为困难；

随着原子磁光阱芯片技术的发展，人们提出了诸如金字塔型、光栅型等多种原子磁光阱芯片结构。金字塔型的原子芯片磁光阱虽然能够简化系统结构，但是这种芯片对结构的加工要求高，且金字塔尖部的结构改变，使得其反射特性难以确定。光栅型的原子芯片磁光阱简化了光路与系统，然而由于其衍射结构设计加工困难，不容易得到理想偏振的衍射光结果。

发明内容

本发明的一个目的就是为了进一步优化提升原子磁光阱芯片的结构及性能，提供一种原子磁光阱芯片，具有结构简单、光路简单、加工方便且性能稳定的特点。

本发明包括硅晶片，硅晶片为多晶硅或单晶硅材料的正方形片材。

所述的硅晶片上布置有反射腔和三维磁场线圈；

所述的反射腔为硅晶片顶面中心向下开设的球缺形凹槽；

所述的三维磁场线圈包括嵌在硅晶片顶面的上磁场线圈组和嵌在硅晶片底面的下磁场线圈组。

所述的上磁场线圈组包括四个均布在反射腔周围的椭圆形金属环，椭圆形金属环相对反射腔的远端具有开口，形成四个对称布置的开放式椭圆形金属线圈。

所述的下磁场线圈组包括两个与反射腔同心的金属圆环，其中内环的投影在四个椭圆形金属环的最小围合空间范围内，内、外金属圆环在同一角度具有开口，形成两个同心布置的开放式圆形金属线圈。

本发明的另一个目的是提供该原子磁光阱芯片的加工方法。

该方法具体步骤是：

步骤(1)选用常规且能够利用微纳加工技术加工的硅晶材料作为样品晶体，清洗干净；所述的硅晶材料为多晶硅或单晶硅；

步骤(2)利用化学沉积的方法，在样品晶体的两面表面分别沉积厚度为200nm～350nm的抗腐蚀保护层；

步骤(3)按照设计，通过光刻方法在一面抗腐蚀保护层的中心位置刻出圆环；

步骤(4)利用离子束蚀刻的方法，去除圆环内的抗腐蚀保护层，露出样品晶体，形成圆形的刻蚀槽；