集成光子-原子芯片的研究進(jìn)展

電介質(zhì)表面的倏逝場(chǎng)強(qiáng)度沿著垂直于表面的方向指數(shù)衰減，作用范圍小于光波長(zhǎng)。處于波導(dǎo)表面的倏逝場(chǎng)與原子偶極矩相互作用可以對(duì)原子產(chǎn)生力的作用，選擇合適的倏逝場(chǎng)波長(zhǎng)可以克服范德瓦爾斯力形成光學(xué)偶極阱將原子束縛在電介質(zhì)表面的近場(chǎng)范圍內(nèi)^［43-45］。處于電介質(zhì)表面近場(chǎng)范圍內(nèi)的原子可以通過(guò)倏逝場(chǎng)與波導(dǎo)模式直接相互作用，在原子態(tài)調(diào)控中具有重要優(yōu)勢(shì)，因此，近場(chǎng)束縛原子備受重視^{［46， 47］}。OVCHINNIKOV Y B等首先于1991年提出使用表面倏逝場(chǎng)束縛原子^［16］，并于1997年通過(guò)三角棱鏡全反射產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)將原子成功束縛于波導(dǎo)表面^［17］，為近場(chǎng)束縛原子邁出了重要一步。此后，在研究近場(chǎng)光子-原子芯片的過(guò)程中，出現(xiàn)了各種結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)以產(chǎn)生特定結(jié)構(gòu)分布的倏逝場(chǎng)，形成可以穩(wěn)定束縛原子的光學(xué)偶極阱，推動(dòng)著近場(chǎng)光子-原子芯片的發(fā)展。接下來(lái)分別介紹光纖錐、集成波導(dǎo)和光子晶體波導(dǎo)表面近場(chǎng)束縛原子的研究工作。

當(dāng)光纖被拉得很細(xì)的時(shí)候，光纖內(nèi)的光場(chǎng)將延伸到光纖外形成很強(qiáng)的倏逝場(chǎng)，而且光纖仍然能夠保持比較好的低損耗傳輸特性^［48］，因此，光纖錐可以很好地提供束縛原子的倏逝場(chǎng)。HAKUTA K研究組于2004年提出使用光纖錐的紅藍(lán)失諧光的倏逝場(chǎng)來(lái)束縛原子^［44］。光場(chǎng)與原子的偶極矩相互作用對(duì)原子產(chǎn)生偶極力，如圖6（a）所示，在光纖內(nèi)同時(shí)傳輸紅失諧和藍(lán)失諧光，紅失諧光的倏逝場(chǎng)對(duì)原子的偶極力起吸引到光纖表面的作用，而藍(lán)失諧光的倏逝場(chǎng)對(duì)原子的偶極力起排斥作用。調(diào)整合適的紅藍(lán)失諧光比例，可以克服光纖表面對(duì)原子的范德瓦爾斯力，使原子受力達(dá)到平衡^{［49， 50］}，從而原子被穩(wěn)定囚禁在光纖錐表面。由于光纖錐表面的倏逝場(chǎng)模式面積很大，對(duì)原子產(chǎn)生很強(qiáng)的相互作用，光纖錐表面的倏逝場(chǎng)足以對(duì)原子能級(jí)進(jìn)行泵浦，原子所發(fā)出的熒光也可以高效地耦合到光纖而被探測(cè)。2008年，浙江大學(xué)TONG L研究組對(duì)光纖錐表面紅藍(lán)失諧光束縛原子也進(jìn)行了研究，分析了不同波導(dǎo)模式倏逝場(chǎng)束縛原子的情況^［51］。2010年VETSCH E等通過(guò)光纖錐同時(shí)實(shí)現(xiàn)了原子的束縛、態(tài)激發(fā)和熒光探測(cè)，如圖6（b）所示，用于束縛原子的紅藍(lán)失諧光和泵浦光被同時(shí)導(dǎo)入光纖錐，由于Purcell增強(qiáng)效應(yīng)，原子發(fā)出的大部分熒光可以耦合到光纖錐而被探測(cè)器所檢測(cè)^［52］。隨后他們還演示通過(guò)控制輸入光的偏振將不同自旋態(tài)的原子囚禁在光纖錐的不同位置，實(shí)現(xiàn)偏振色散光接口，以用于原子數(shù)的無(wú)損測(cè)量^［53］。

圖6  光纖錐表面倏逝場(chǎng)囚禁原子示意

Fig. 6  The illustration of atom trap with the evanescent field on the fiber taper

基于光纖錐的原子實(shí)驗(yàn)，原子與光纖錐模式可以通過(guò)倏逝場(chǎng)產(chǎn)生很強(qiáng)的相互耦合作用。但是光纖錐在光場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，并且隨著光纖錐內(nèi)光強(qiáng)的增大而增大，很不利于原子態(tài)的精確調(diào)控，從而很難實(shí)現(xiàn)量子比特。為了克服機(jī)械振動(dòng)對(duì)原子的影響，固定在芯片上的集成波導(dǎo)被研究并應(yīng)用于束縛原子，以獲得穩(wěn)定的光子-原子芯片。類(lèi)似于光纖錐結(jié)構(gòu)，波導(dǎo)內(nèi)的傳輸模式可以延伸到波導(dǎo)表面形成倏逝場(chǎng)，倏逝場(chǎng)形成的光學(xué)偶極阱可以將原子囚禁于波導(dǎo)表面的近場(chǎng)位置處^［54］。

2000年BARNETT A H等提出使用集成波導(dǎo)內(nèi)紅藍(lán)失諧光來(lái)束縛Cs原子^［55］。如圖7（a）所示，矩形直波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)募t藍(lán)失諧偏振模式在波導(dǎo)表面存在倏逝場(chǎng)，倏逝場(chǎng)與原子偶極矩相互作用產(chǎn)生偶極力形成光學(xué)偶極阱使得原子可以克服范德瓦爾斯力而被穩(wěn)定囚禁于波導(dǎo)表面的近場(chǎng)范圍內(nèi)。光學(xué)偶極阱的結(jié)構(gòu)決定于光場(chǎng)的分布，通過(guò)設(shè)計(jì)不同組合的集成波導(dǎo)可以實(shí)現(xiàn)不同結(jié)構(gòu)的光學(xué)偶極阱。如圖7（b）所示，不同數(shù)量和排列的波導(dǎo)可以產(chǎn)生不同空間分布的光場(chǎng)，以滿(mǎn)足不同場(chǎng)合中囚禁原子所需的光學(xué)偶極阱^［56］。2015年美國(guó)的MENG Y等設(shè)計(jì)了可以與MOT裝置集成的嵌入式SiN波導(dǎo)裝置，如圖7（c）所示，該裝置通過(guò)760 nm和1 064 nm光波的倏逝場(chǎng)將Rb原子囚禁于波導(dǎo)表面，再通過(guò)780 nm光波對(duì)Rb原子進(jìn)行泵浦探測(cè)^［57］，實(shí)現(xiàn)集成波導(dǎo)與原子的近場(chǎng)耦合。

圖7  波導(dǎo)結(jié)構(gòu)束縛原子的示意

Fig. 7  The structure of the integrated waveguide for trapping atoms

集成波導(dǎo)原子裝置要求波導(dǎo)內(nèi)用于囚禁原子的紅藍(lán)失諧光的功率比較高，在波導(dǎo)表面獲得百μk以上的光學(xué)偶極阱，需要約幾十mW的波導(dǎo)光功率^［56］，實(shí)驗(yàn)中難以在芯片上的波導(dǎo)輸入這么高的光功率，同時(shí)如此高的光功率會(huì)使得波導(dǎo)產(chǎn)生很大的熱量，影響光子-原子芯片的穩(wěn)定工作。為此可以利用具有周期性結(jié)構(gòu)的可對(duì)光波產(chǎn)生反射作用的光子晶體波導(dǎo)微腔在波導(dǎo)上形成共振增強(qiáng)光場(chǎng)對(duì)原子進(jìn)行束縛。

由于光子晶體的諧振腔的共振波長(zhǎng)受限于晶體的周期，腔內(nèi)很難同時(shí)存在兩個(gè)相鄰波長(zhǎng)的共振模式，因此無(wú)法通過(guò)紅藍(lán)失諧光的倏逝場(chǎng)來(lái)囚禁原子，而需要通過(guò)設(shè)計(jì)特定結(jié)構(gòu)的光子晶體波導(dǎo)或者借助自由空間光束將原子束縛于光子晶體波導(dǎo)表面的近場(chǎng)范圍內(nèi)。美國(guó)的KIMBLE H J研究組于2013年提出使用周期性圓孔的光子晶體波導(dǎo)內(nèi)的光場(chǎng)形成光學(xué)偶極阱囚禁原子^［58］，如圖8（a）所示，設(shè)計(jì)特定的圓孔周期使藍(lán)失諧光在晶體波導(dǎo)上的共振波節(jié)處于空心孔的中心位置，在空心空中心具有最小光場(chǎng)，由于藍(lán)失諧光場(chǎng)對(duì)原子的作用是排斥力，從而在晶體波導(dǎo)的空心孔內(nèi)形成束縛原子的光學(xué)偶極阱。同時(shí)，讓調(diào)控光束在晶體波導(dǎo)上的共振波腹處于空心孔的中心位置，對(duì)束縛于其中的原子產(chǎn)生有效調(diào)控。此外，他們還設(shè)計(jì)了平行雙晶體波導(dǎo)，如圖8（b）所示，在兩晶體波導(dǎo)中間形成束縛原子的光學(xué)偶極阱和調(diào)控原子的光場(chǎng)，通過(guò)調(diào)節(jié)雙晶體波導(dǎo)的相位可以改變光學(xué)偶極阱和調(diào)控光場(chǎng)的位置和大小，在調(diào)控原子的過(guò)程中具有更好的靈活性。在此基礎(chǔ)上，該研究組制備了周期性鋸齒狀光子晶體波導(dǎo)并成功應(yīng)用于原子實(shí)驗(yàn)中，如圖8（c）所示，光子晶體波導(dǎo)兩側(cè)周期性分布的鋸齒對(duì)光場(chǎng)的反射作用產(chǎn)生駐波場(chǎng)，在波導(dǎo)中間鏤空的位置形成囚禁原子的光學(xué)偶極阱，同時(shí)，光子晶體波導(dǎo)模式的倏逝場(chǎng)可以與束縛原子產(chǎn)生很好的近場(chǎng)耦合，進(jìn)行原子態(tài)的近場(chǎng)調(diào)控^［59］。

圖8  一維光子晶體波導(dǎo)束縛原子裝置

Fig. 8  The structure of the 1D photonic crystal waveguide for trapping atoms

在一個(gè)位置同時(shí)形成光學(xué)偶極阱和調(diào)控光場(chǎng)，需要波長(zhǎng)和晶體周期結(jié)構(gòu)滿(mǎn)足嚴(yán)格的匹配條件，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很多局限。因此，自由空間光場(chǎng)被用于輔助倏逝場(chǎng)將原子囚禁在光子晶體波導(dǎo)表面，降低光子晶體的結(jié)構(gòu)要求，給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)更多操作自由度。THOMPSON J D等在研究Rb原子與光子晶體波導(dǎo)相互作用的實(shí)驗(yàn)中通過(guò)自由空間光的輔助作用將原子囚禁在波導(dǎo)表面。如圖8（d）所示，首先通過(guò)原子傳送帶將冷原子從MOT系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到一維光子晶體波導(dǎo)表面，然后在倏逝場(chǎng)與自由空間光場(chǎng)的共同作用下將原子囚禁在波導(dǎo)表面近場(chǎng)范圍內(nèi)，進(jìn)而研究Rb原子與晶體波導(dǎo)模式的耦合作用^［37］。

除了一維光子晶體波導(dǎo)，二維光子晶體結(jié)構(gòu)也被用于束縛原子，二維光子晶體可以產(chǎn)生二維光學(xué)偶極阱陣列束縛原子形成二維原子陣列。2015年KIMBLE H J研究組將束縛原子的一維孔陣光子晶體波導(dǎo)推向二維孔陣光子晶體結(jié)構(gòu)，獲得二維原子陣列，如圖9（a）和（b）所示，在電介質(zhì)片上分別制備周期性排列的圓孔和圓柱，在晶體結(jié)構(gòu)表面形成二維周期性分布的倏逝場(chǎng)，結(jié)合垂直于晶體表面的自由空間光場(chǎng)可以形成穩(wěn)定囚禁原子的光學(xué)偶極阱陣列，從而形成二維原子陣列^{［40， 60］}。類(lèi)似地，LUKIN M D研究組通過(guò)金屬小球陣列產(chǎn)生的表面等離激元場(chǎng)束縛原子獲得二維原子陣列，如圖9（c）所示，二維周期性排列的納米金屬小球可以激發(fā)出表面等離激元，形成二維周期性分布的光學(xué)偶極阱陣列，每個(gè)光學(xué)偶極阱都可以束縛單原子，從而可以獲得二維原子陣列^［61］。光子晶體由于其獨(dú)特的周期性結(jié)構(gòu)，在二維和三維原子陣列在研究中具有重要應(yīng)用。

圖9  二維光子晶體束縛原子示意

Fig. 9  The structure of the 2D photonic crystal waveguide for trapping atoms

光纖錐的直徑越小，傳輸模式延伸到表面的光場(chǎng)越多，形成的倏逝場(chǎng)越強(qiáng)，因此，光纖錐的傳輸模式與其表面的原子通過(guò)倏逝場(chǎng)可以發(fā)生有效的相互耦合作用^［46］。HAKUTA K研究組于2005年通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)光纖錐表面Cs原子的自發(fā)輻射特性，如圖10（a）所示，在光纖錐表面倏逝場(chǎng)的作用下，原子態(tài)發(fā)生改變，隨著原子與光纖錐表面的距離減小，原子輻射到傳輸模式、自由空間速率呈指數(shù)增大^［62］。同時(shí)，光纖錐表面的原子通過(guò)對(duì)倏逝場(chǎng)的散射作用而影響傳輸模式，如圖10（b）所示，隨著原子與光纖錐表面的距離減小，處于基態(tài)（點(diǎn)線(xiàn)）和激發(fā)態(tài)（虛線(xiàn)）的原子對(duì)倏逝場(chǎng)的散射作用呈指數(shù)增大^［63］。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，光纖錐表面不同位置的原子之間也可以通過(guò)光纖錐傳輸模式的近場(chǎng)耦合而發(fā)生相互影響。如圖10（c）所示，雙原子的相對(duì)位置發(fā)生改變時(shí)，原子的輻射速率發(fā)生相應(yīng)的變化^［64］。

圖10  波導(dǎo)表面倏逝場(chǎng)與原子的相互作用

Fig. 10  The illustration of the coupling between the atom and the evanescent field on the waveguide

奧地利維也納大學(xué)RAUSCHENBEUTEL A研究組將基于光纖錐的原子實(shí)驗(yàn)推向了量子領(lǐng)域。他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了光纖錐表面的Cs原子量子態(tài)的相干特性^［65］，通過(guò)原子與光纖錐的耦合作用分別實(shí)現(xiàn)集成偏振隔離器和光存儲(chǔ)^{［66， 67］}。2020年，該研究組實(shí)現(xiàn)光纖錐表面單個(gè)原子的捕獲和成像，為研究原子的量子特性提供更好的實(shí)驗(yàn)技術(shù)^［68］。接著他們利用與光纖錐弱耦合的Cs原子實(shí)現(xiàn)光纖內(nèi)強(qiáng)關(guān)聯(lián)光子態(tài)的制備^［69］，通過(guò)光纖內(nèi)的光場(chǎng)與光纖表面的原子耦合發(fā)生正交態(tài)壓縮，從而使得時(shí)間能量糾纏的雙光子實(shí)現(xiàn)解糾纏^［70］。此外，他們還研究了光纖錐表面原子運(yùn)動(dòng)的量子效應(yīng)和集體輻射效應(yīng)^{［71， 72］}，通過(guò)原子自旋來(lái)控制光纖非互易的拉曼放大^［73］。這些研究展現(xiàn)了光纖錐表面原子獨(dú)特的量子特性，并且將原子的量子效應(yīng)很好的應(yīng)用于集成光調(diào)控。法國(guó)的LAURAT J研究組通過(guò)光纖錐上的原子也進(jìn)行了量子特性的研究，2016年實(shí)驗(yàn)演示了光纖錐表面原子形成的布拉格原子光柵對(duì)光的布拉格反射現(xiàn)象^［74］，接著實(shí)現(xiàn)光纖錐表面單原子陣列的糾纏激發(fā)，并對(duì)存儲(chǔ)的糾纏態(tài)進(jìn)行讀取^［75］。

由于波導(dǎo)模式的光場(chǎng)主要分布在波導(dǎo)內(nèi)部，延伸到表面的倏逝場(chǎng)很少，這給集成波導(dǎo)囚禁原子的實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了困難^{［76， 77］}。隨著集成波導(dǎo)表面囚禁原子的技術(shù)逐漸走向成熟，可以實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)表面的單原子囚禁，集成原子芯片的量子特性研究也得到開(kāi)展。2020年美國(guó)KANNAN B等通過(guò)集成波導(dǎo)囚禁原子的裝置實(shí)現(xiàn)原子量子比特和波導(dǎo)模式的耦合，以及不同位置原子量子比特之間的耦合^［78］。2021年美國(guó)哈佛大學(xué)研究組通過(guò)集成量子波導(dǎo)與原子的耦合，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)表面上兩個(gè)單原子之間的糾纏制備、快速無(wú)損原子態(tài)讀取和原子比特的全量子控制^［79］。

由于光子晶體內(nèi)周期性的結(jié)構(gòu)可以形成共振腔，共振增強(qiáng)場(chǎng)和原子之間可以發(fā)生很強(qiáng)的相互耦合作用^［80］。因此，各種各樣的光子晶體被用于與原子相互耦合，包括周期性圓孔光子晶體、周期性鋸齒狀光子晶體、周期性折射率分布的光子晶體以及超導(dǎo)光子晶體等。KIMBLE H J研究組通過(guò)一維周期性圓孔光子晶體與原子的相互作用做了一系列研究工作，包括波導(dǎo)上原子的超輻射現(xiàn)象^［81］，用波導(dǎo)上的原子陣列模擬量子多體^［82］，原子之間在晶體能級(jí)邊帶發(fā)生耦合作用的現(xiàn)象^［83］。TIECKE T G等對(duì)光子晶體波導(dǎo)和原子也進(jìn)行了相關(guān)研究，通過(guò)原子與光子晶體波導(dǎo)模式的強(qiáng)耦合作用實(shí)現(xiàn)原子對(duì)光子相位的調(diào)控，演示了集成光量子相位控制器的功能^［84］。光子晶體波導(dǎo)與原子表現(xiàn)出很好的相互耦合特性和量子特性。

2020年美國(guó)SAMUTPRAPHOOT P等設(shè)計(jì)折射率周期性分布的光子晶體波導(dǎo)與原子耦合^［85］，光子晶體波導(dǎo)的折射率周期性分布形成諧振腔，其共振模式的倏逝場(chǎng)可以與晶體表面的原子發(fā)生相互耦合作用。由于采用自由空間激光囚禁原子可以自由控制每個(gè)單原子的位置，因此觀(guān)測(cè)單原子之間通過(guò)光子晶體波導(dǎo)腔模式的近場(chǎng)耦合而產(chǎn)生強(qiáng)耦合。基于此實(shí)驗(yàn)裝置，研究了兩個(gè)獨(dú)立原子之間的糾纏制備、快速無(wú)損態(tài)讀取和原子比特的全量子控制^［79］。

在研究微納結(jié)構(gòu)與原子的近場(chǎng)相互作用過(guò)程中，不同的微結(jié)構(gòu)既有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)又存在局限性。比如光纖錐可以提供很強(qiáng)的表面倏逝場(chǎng)用于原子囚禁和調(diào)控，但是存在機(jī)械振動(dòng)限制了原子態(tài)的調(diào)控精度。集成波導(dǎo)雖然具有很好的穩(wěn)定性，但是表面倏逝場(chǎng)強(qiáng)度有限，也給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)難度。光子晶體波導(dǎo)既可以提供增強(qiáng)的倏逝場(chǎng)又具有集成穩(wěn)定性，但是對(duì)晶體結(jié)構(gòu)要求很?chē)?yán)格，實(shí)驗(yàn)靈活性受限。因此迫切需要一種微結(jié)構(gòu)，既具以上各結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)又可以克服其缺點(diǎn)。圓形微環(huán)腔不僅支持高品質(zhì)的回音壁模式，對(duì)光場(chǎng)模式具有共振增強(qiáng)作用，而且自由光譜范圍小，腔內(nèi)可以同時(shí)滿(mǎn)足紅藍(lán)失諧光的共振，在腔表面形成穩(wěn)定的光學(xué)偶極阱囚禁原子，同時(shí)腔模式通過(guò)倏逝場(chǎng)對(duì)原子態(tài)產(chǎn)生有效調(diào)控。圓形微環(huán)腔因在束縛和調(diào)控原子中的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而受到廣泛關(guān)注。

微球腔由于制作工藝簡(jiǎn)單，可以達(dá)到很高的Q值，在微腔表面形成很強(qiáng)的光場(chǎng)，因此最早被應(yīng)用于與原子相互作用。由于微腔表面的倏逝場(chǎng)比較難形成穩(wěn)定囚禁原子的光學(xué)偶極阱，一般通過(guò)自由空間光場(chǎng)輔助作用將原子囚禁在微腔表面，同時(shí)也提高了控制原子位置的自由度。美國(guó)KIMBLE H J研究組首先于1994年分析了繞微球腔運(yùn)動(dòng)的原子的物質(zhì)波特性^［89］，接著研究了微球腔與原子的相互作用^［90］。隨著加工技術(shù)的發(fā)展，微環(huán)腔的Q值可以達(dá)到非常高，原子與微環(huán)腔的耦合研究也隨之開(kāi)展。2006年，KIMBLE H J研究組將單個(gè)Cs原子與微環(huán)腔光場(chǎng)模式進(jìn)行耦合^［86］，如圖11（a）所示，在微環(huán)腔上方通過(guò)冷卻激光獲得冷原子，并將冷原子傳送到微環(huán)腔表面與腔模式耦合，從而改變腔的透過(guò)譜。2018年以色列BECHLER O等通過(guò)Rb原子與微球腔的耦合裝置，如圖11（b）所示，在單光子拉曼作用下使得兩個(gè)光子模式與原子雙基態(tài)之間產(chǎn)生確定性干涉，實(shí)現(xiàn)單個(gè)原子態(tài)與光子態(tài)之間的量子比特轉(zhuǎn)換^［88］。

圖11  各種與原子耦合的微腔結(jié)構(gòu)

Fig. 11  The structure of the microcavity for coupling with the atoms

回音壁微瓶腔具有與微球腔類(lèi)似的結(jié)構(gòu)，如圖11（c）所示，可以與原子產(chǎn)生相互耦合作用，而且具有更好的穩(wěn)定性。2013年奧地利TAUSCHENBEUTEL A研究組通過(guò)回音壁微瓶腔與⁸⁵Rb的耦合作用進(jìn)行了一系列研究工作，研究了光場(chǎng)的縱向分量對(duì)Rb原子和微瓶腔耦合的影響^［87］，通過(guò)⁸⁷Rb原子與微瓶腔的強(qiáng)耦合作用使微瓶腔耦合的光纖內(nèi)單光子之間產(chǎn)生非線(xiàn)性π相移，實(shí)現(xiàn)高保真度糾纏光的制備^［91］。2016年，該研究組通過(guò)控制Rb原子態(tài)來(lái)改變微瓶圓腔透光的方向，實(shí)現(xiàn)集成光纖的量子光學(xué)環(huán)形器^［92］。早期的實(shí)驗(yàn)研究中，大多是采用自由下落的原子與回音壁腔相互作用，直至2021年，TAUSCHENBEUTEL A研究組通過(guò)腔表面反射的紅失諧激光實(shí)現(xiàn)微球表面單個(gè)⁸⁵Rb原子的囚禁，觀(guān)測(cè)到了原子與微瓶腔的耦合作用產(chǎn)生的真空拉比劈裂現(xiàn)象^［93］，在微腔與單原子的可控耦合作用方面邁出了重要一步。

微球、微瓶腔等結(jié)構(gòu)雖然可以制備于集成芯片上，但很難與其他集成器件兼容，因此研究人員也在追求在平面芯片上的微腔上原子的囚禁和操控。根據(jù)電場(chǎng)的偏振方向，微環(huán)腔內(nèi)共振的模式有TE和TM模，其基模的場(chǎng)分布如圖12（a）。TM模式比TE模式具有更多的場(chǎng)分布在波導(dǎo)表面，形成的倏逝場(chǎng)與原子發(fā)生更強(qiáng)的相互作用，因此在實(shí)驗(yàn)中，主要考慮TM模式與原子的相互作用。由于微環(huán)腔內(nèi)傳輸模式是圓周運(yùn)動(dòng)^［94］，具有離心力，因此腔波導(dǎo)表面的倏逝場(chǎng)不是對(duì)稱(chēng)分布，這對(duì)束縛原子很不利，需要很大的腔模式強(qiáng)度才能夠形成穩(wěn)定的光纖偶極阱。在腔波導(dǎo)內(nèi)，除了基膜TM0還有高階模式，其中TM1模式在波導(dǎo)表面的倏逝場(chǎng)分布是兩邊強(qiáng)中間弱，正好與基膜的倏逝場(chǎng)分布（中間強(qiáng)兩邊弱）形成互補(bǔ)趨勢(shì)。因此，在采用紅藍(lán)失諧TM0模式倏逝場(chǎng)囚禁腔波導(dǎo)表面原子的時(shí)候，通過(guò)引入高階TM1模式來(lái)補(bǔ)償TM0模式受離心力影響產(chǎn)生的偏移，提高有效勢(shì)阱深度，從而降低囚禁原子對(duì)腔模式強(qiáng)度的要求^［21］，為微環(huán)腔波導(dǎo)表面近場(chǎng)束縛原子提供可行的實(shí)驗(yàn)方案。

圖12  集成微環(huán)腔與原子耦合示意

Fig. 12  The illustration of the coupling between the integrated microring resonator with the atoms

實(shí)驗(yàn)中，為了便于傳送帶將冷原子從MOT轉(zhuǎn)移到微環(huán)腔波導(dǎo)表面，美國(guó)HUNG C L研究組設(shè)計(jì)了基于藍(lán)寶石基底的SiN微環(huán)腔的原子芯片，如圖12（b）。藍(lán)寶石對(duì)可見(jiàn)光透明，激光可以從各個(gè)方向入射到波導(dǎo)表面形成原子傳送帶，將冷原子導(dǎo)入到腔波導(dǎo)表面。腔波導(dǎo)表面的紅藍(lán)失諧倏逝場(chǎng)對(duì)原子的共同作用力可以克服范德瓦爾斯力形成穩(wěn)定的光學(xué)偶極阱，將原子囚禁于距離波導(dǎo)表面約100 nm的近場(chǎng)位置^［95］。接著，實(shí)驗(yàn)制備了多個(gè)微環(huán)腔串聯(lián)的結(jié)構(gòu)，并分析了該結(jié)構(gòu)與Cs原子的耦合作用^［96］。2021年該課題組改進(jìn)了在微環(huán)腔波導(dǎo)表面實(shí)現(xiàn)冷原子的近場(chǎng)囚禁的方案，如圖12（c）所示，通過(guò)垂直于波導(dǎo)表面的紅失諧光將原子傳輸?shù)讲▽?dǎo)表面，再結(jié)合波導(dǎo)內(nèi)藍(lán)失諧光的倏逝場(chǎng)將原子囚禁在波導(dǎo)表面^［34］。由于微環(huán)腔采用固體基底，具有很好的穩(wěn)定性和可集成性，因此，該實(shí)驗(yàn)裝置在原子芯片中具有很好的可擴(kuò)展性和應(yīng)用前景。