原子芯片的磁场系统

技术领域

本发明涉及原子芯片，特别是一种原子芯片干涉仪上原子芯片的磁场系统。

背景技术

自本世纪初发展起来的原子芯片是一种集成化的用于制备超冷原子的实验装置，被广泛应用于原子干涉、低维量子气体、量子动力学和量子热力学等方面的研究[MarkKeil,Omer Amit,Shuyu Zhou,David Groswasser,Yonathan Japha and Ron Folman,J.Modern Optics 63,1840(2016)]。在原子芯片实验中，根据不同的目的，我们需要产生不同类型的磁场，所以磁场设计部分也是整个实验中重要的一部分。在国内外以前的原子芯片磁场系统的设计中，用于产生三维的镜面磁光阱所需的四极磁场有3种方案：

方案1采用一对与芯片法线垂直的反亥姆霍兹线圈，采用通常的三维磁光阱光路，未利用芯片构成镜面磁光阱[陈钰水，张海潮，许忻平，王育竹，中国专利号CN103985497]。该方案的磁光阱中心到芯片表面的距离通常大于1cm，需要用额外的转移线圈将磁光阱中的冷原子转移到芯片表面附近的磁阱中，这些额外的线圈严重阻塞通光路径。

方案2是采用线圈轴线相对于芯片法线45度倾斜放置的一对反亥姆霍兹线圈，可以产生原子芯片系统中镜面磁光阱所需的四极磁场。这种方案的缺陷是，这对倾斜的置于超高真空腔体外部的反亥姆霍兹线圈占据较大的空间，限制了其他线圈的安装并遮挡光学通道。

方案3是在紧贴芯片背面设置一条U型铜导线，通电流之后配合偏置磁场也可以形成镜面磁光阱所需的四极磁场[Ron Folman,Peter Krüger,

在原子芯片装置中进行的物理实验通常需要用到量子简并气体(例如玻色-爱因斯坦凝聚体)。因此，三维磁光阱里俘获的冷原子需要被装载到静磁阱中进行蒸发冷却以获得量子简并气体。以往原子芯片所用的静磁阱是利用芯片上刻蚀的微导线或者芯片后面Z型或十字形载流铜线产生的，有限的阱体积将装载原子数限制在10

在已有专利CN103985497B中，其发明点在于将传统的圆形线圈改进为矩形线圈并解决了其安装问题。但是，并未提及U型线圈及其安装方案。本发明采用U型线圈和芯片分离的安装方式，解决了因线圈发热带来的热影响。专利N103985497B中矩形线圈的发明目的是装载原子实现原子的转移，本发明中三对矩形偏置线圈是通过对U型线的配合产生四极磁场，通过调整偏置磁场让其和光束等其他参数进行几何配置匹配。

发明内容

本发明是为了解决上述遇到的问题，提供一种原子芯片的磁场系统，该系统的芯片和铜基座没有直接接触且位于真空腔外的紧凑型磁场系统，防止芯片因直接接触铜基座导致芯片热变形和破坏，并且可以在四极磁阱与光学偶极势构成的混合势阱中实现蒸发冷却。本发明主要实现三种功能：U型线和三对偏置线圈产生三维磁光阱磁场；四极磁场线圈产生用于磁囚禁冷原子的静磁场；补偿线圈加入后以抵消周围的干扰磁场。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种原子芯片的磁场系统，包括：铜基座、三对偏置线圈、安装在基座板上的一对四极磁场线圈、三对补偿线圈、金属紫铜杆、原子芯片和超高真空度的玻璃吸收池；其特点在于，所述的一对四极磁场线圈是两个尺寸和匝数相同、同轴排列的线圈，通过调节其间距，通入方向相反的电流，产生中心点为零且线圈轴线上磁场梯度大于1.5T/m的磁场，用于囚禁在三维磁光阱里俘获的原子进行下一步的蒸发冷却；

所述的三对偏置线圈由水平方向平行的上下一对偏置线圈、竖直方向平行的前后一对偏置线圈和竖直方向平行的左右一对偏置线圈构成，所述的原子芯片居中并和各线圈磁场的中心保持一致，三对偏置线圈两两相交。

所述的铜基座是截面形状为正方形的长方体紫铜金属块，该金属块上设有供U型导线安装的凹槽，所述的铜基座的底部有螺纹连接孔用于连接金属紫铜杆的一端，该金属紫铜杆插入金属支柱并固定，用于固定所述的铜基座的相对位置；

在所述的铜基座之外是所述的一对四极磁场线圈，在所述的四极磁场线圈外是所述的三对偏置线圈，最外围是三对补偿线圈。

所述的三对补偿线圈围绕于三对偏置线圈的外围，两两平行，分别抵消掉外部的三个方向上的干扰磁场，每对补偿线圈都是两个尺寸和匝数相同、同轴排列的线圈；

所述的原子芯片粘黏在所述的玻璃吸收池的下端，且不与所述的所述的铜基座接触；

所述的玻璃吸收池通过超高真空管和法兰与超高真空系统相连。

对安装在所述的铜基座上的U型导线通入电流，加入所述的三个方向的偏置线圈的磁场后会产生一个四极磁场，所述的三对偏置线圈组合在一起构成产生X、Y和Z三个方向可调的均匀磁场。

所述的U型导线和三对偏置线圈可在三个方向上调整所产生三维磁光阱所需的四极磁场的角度，这三个方向相互正交。

所述的金属支柱是由导热系数较高的金属材料紫铜制成，用于带走U型导线通电后产生的热量。

所述的H型线，用于产生后续原子的转移所需要的雪茄型磁场。

其磁场强度随四极磁场线圈的尺寸和铜线匝数以及电流大小变化。为了实现高效率的装载，我们需要初始磁光阱原子团的位置和四极磁场线圈磁场零点位置偏移不大于5mm，为了实现此目的，我们需要在一开始就确定下来初始的磁光阱原子团位置，再通过微调对应不同方向上的三对偏置磁场来调整四极磁场的零点位置，使其和磁光阱的中心能很好地重合，实现四极磁场和磁光阱的模式匹配。

所述的补偿线圈是围绕在四极磁场线圈和偏置线圈外围的三对线圈是由三对平行且共轴的大尺寸小匝数线圈组成，起作用是为了抵消包括地磁场、离子泵磁场在内的所有干扰磁场。

铜基座其表面有安装线圈用的浅凹槽。铜基座的前面有螺纹连接孔，用于连接金属紫铜杆。金属紫铜杆的作用，一是连接铜基座与平台支柱，固定其相对位置；二是将金属导线产生的热量传导到基座连接杆上，连接杆通过对流的方式直接将热量流入空气，再通过和支柱的直接连接，通过热传导的方式将热量传导到支柱最后传出整个磁场系统。

所述的芯片用超高真空环氧树脂(EPO-TEK 353ND)直接粘黏在玻璃吸收池顶端。本发明与传统的芯片磁场系统不同的是，本发明中的芯片没有直接与铜基座表面接触，二者之间存在一个大于0mm且小于1mm的间隙，使得铜基座上产生的热量只能通过热辐射和对流传热的方式影响到芯片，然而热量的主要传播路径是热传导，绝大多数的热量通过固定安装铜基座的金属连接杆导出磁场系统。这样的安装方式使得铜基座产生的热量对芯片的影响大大减小。

本发明的技术效果；

本发明的芯片和铜基座没有直接接触且位于真空腔外的紧凑型磁场系统，防止芯片因直接接触铜基座导致芯片热变形和破坏，并且可以在四极磁阱与光学偶极势构成的混合势阱中实现蒸发冷却。本发明主要实现三种功能：U型线和三对偏置线圈产生三维磁光阱磁场；四极磁场线圈产生用于磁囚禁冷原子的静磁场；补偿线圈加入后以抵消周围的干扰磁场。

磁场系统结构紧凑，目的是为了减小系统的体积与功耗，并扩展了系统的光学通道，有利于进一步实验。

附图说明

图1是本发明原子芯片磁场系统的立体示意图

图2是图1原子芯片磁场系统的俯视图

图3是本发明四极磁场线圈骨架的示意图

图4是本发明三对偏置线圈骨架的示意图

图5是本发明放置U型线的铜基座示意图，其中a为铜基座，b为铜基座俯视图U型线安装区域c为铜基座俯视图H型线安装区域

图6是本发明U型线计算时各顶点的示意图

图7是磁场计算得到的x＝x

图8是磁场计算得到的y＝y

图9是磁场计算得到的z＝z

图10是磁场计算结果z＝z(y)的示意图

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

请参阅图1、图2、图3、图4和图5，图1是本发明原子芯片磁场系统的立体示意图，图2是图1原子芯片磁场系统的俯视图，图3是本发明四极磁场线圈骨架的示意图，图4是本发明三对偏置线圈骨架的示意图，图5是本发明U型线铜基座示意图，由图可见，本发明原子芯片的磁场系统，该系统包括：铜基座9、三对偏置线圈1-6、一对四极磁场线圈7-8、三对补偿线圈10、原子芯片14和超高真空度的玻璃吸收池15，

所述的铜基座9是截面形状为正方形的长方体紫铜金属块，在该金属块上有安装U型导线的凹槽，所述的铜基座9的底部有螺纹连接孔用于连接金属紫铜杆16的一端，该金属紫铜杆16一端插入金属支柱11并固定，固定所述的铜基座9的相对位置；

在所述的铜基座9之外是所述的一对四极磁场线圈7、8，该对四极磁场线圈7、8的两个线圈架左右方向相对地安装在底部基座板12上，所述的一对四极磁场线圈7、8是两个尺寸和匝数相同的线圈进行同轴排列并调节其间距，再通入方向相反的电流，产生中心点为零且线圈轴线上磁场梯度大于1.5T/m的磁场，用于囚禁在三维磁光阱里俘获的原子进行下一步的蒸发冷却；

在所述的四极磁场线圈7、8外是所述的三对偏置线圈，该三对偏置线圈包括上下方向的偏置线圈1、2，前后方向的偏置线圈3、4和左右方向的偏置线圈5、6，所述的上下方向的偏置线圈1、2、前后方向的偏置线圈3、4和左右方向的偏置线圈5、6都是将两个尺寸和匝数相同的线圈进行同轴排列，将所述的三对偏置线圈组合在一起构成产生X、Y和Z三个方向的可调的均匀磁场；所述的偏置线圈1-6在安装时要注意原子芯片14所处于的位置，需要将所述的原子芯片14居中并和各线圈磁场的中心保持一致。

所述的原子芯片14用超高真空环氧树脂直接粘黏在所述的高真空度的玻璃吸收池15的下端，但不与安装有U型导线的所述的铜基座9直接接触，所述的玻璃吸收池15与一个超高真空管(图中未画出)连接，该真空管通过一个CF35法兰与一个超高真空系统相连，因而所述的玻璃吸收池15具有超高的真空度；

安装在所述的铜基座9上的U型导线通入电流后加入所述的上下方向的一对偏置线圈1、2的磁场后会产生一个四极磁场。

在所述的装置的最外围是所述的三对补偿线圈10，所述的三对补偿线圈10都是将两个尺寸和匝数相同的线圈进行同轴排列并调节其间距，三对补偿线圈组合后两两相交，分别抵消外部的三个方向上的干扰磁场；

所述的U型导线和三对偏置线圈可在三个方向上调整所产生三维磁光阱所需的四极磁场的角度，这三个方向相互正交。

所述的高真空度的玻璃吸收池15包括玻璃池腔体、玻璃到金属的转接管和金属法兰(图中未画出)。

所述的安装有U型线的铜基座9的底部需带有安装金属支柱16用的螺纹孔；所述的金属支柱与铜基座9的螺纹连接，为了让其能带走U型导线通电后产生的热量，金属支柱16是由导热系数较高的金属材料紫铜制成。

所述的安装有U型线的铜基座9的上面还安装有H型线，可产生后续原子的转移所需要的雪茄型磁场。

实施例

所述的均匀磁场的发生装置是由一对四极磁场线圈、铜基座上的U型线圈、三对相互正交的偏置线圈以及三对补偿线圈组成。

所述的四极磁场线圈7、8是一对形状为圆形、尺寸相同、匝数一致的线圈。实施例中线圈内径为34mm，外径为64mm，线圈导线直径为1.4mm，每只线圈绕11层，共200匝。在线圈7和线圈8中通入方向相反的电流，可以在线圈中间产生均匀梯度的磁场，其磁场大小随线圈的尺寸、匝数和电流大小改变。四极磁场线圈骨架结构如图3所示，两个线圈架方向相对地安装在底部基座板上12。

图4是本发明三对偏置线圈的示意图，所述的三对偏置线圈(1、2；3、4；5、6)的每对线圈同轴排列且大小尺寸相同。实施例中线圈1、2的最小矩形线圈尺寸为86×138mm，线圈3、4的最小矩形线圈尺寸为140×200mm，线圈5、6的最小矩形线圈尺寸为110×126mm，三组线圈导线的直径为0.8mm，匝数都为60匝。线圈架是由槽宽10mm，厚度1mm的铝合金U型槽制成。线圈之间的连接方式如图所示，两线圈之间用两侧带槽的金属块连接并加以固定，在保证连接稳固的前提下为了使设计更加紧凑并减少线圈与线圈之间的相互干涉，金属块仅固定在有连接需求的线圈的对角处，如图4所示。

所述的偏置线圈在安装时要注意芯片所处于的位置，需要将芯片居中，和各线圈磁场的中心保持一致。将安装有U型线的铜基座9安装进入系统时，注意U型线磁场和其他磁场的中心点匹配，距离芯片较近时和采用微调的方式减小二者之间的距离。

图1中的芯片14直接粘贴在有超高真空度的玻璃吸收池15上。该玻璃吸收池15之所以具有超高的真空度，是因为玻璃吸收池15与一个超高真空管连接，真空管通过一个CF35法兰连接上一个超高真空系统(该系统中包含离子泵和升华泵)，从而使整个真空系统达到压强为10

图1中的三对补偿线圈10安装在磁场系统的最外围，每对线圈同轴排列且大小尺寸相同，图1中的偏置线圈10分别由三对线圈组合在一起。实施例中前后线圈的最小矩形线圈尺寸为250×260mm，上下线圈的最小矩形线圈尺寸为200×250mm，左右线圈的最小矩形线圈尺寸为200×260mm，三对线圈导线的直径为0.5mm，匝数都为20匝。补偿线圈10作用是保证磁场系统不受外部磁场的干扰，外部的干扰磁场包括地磁场、静磁场、泵磁场等。在我们施加补偿线圈之后，x、y、z三个方向的残余磁场均小于1×10

图5是本发明中安装U型线的铜基座9的示意图。实施例中铜基座顶面尺寸为38mm×38mm，铜基座表面有U型线走线用的浅槽，底部有连接金属紫铜支柱用的M8螺纹孔。金属紫铜支柱除了可以固定铜基座的相对位置，对于铜基座上导线发热产生的热量可以通过热传导来高效到处磁场系统，从而降低热量对芯片的影响。实施例中铜基座上U型线的匝数为6匝。

实施例中铜基座上U型线磁场的计算：

首先建立坐标系，如图5所示，确定U型导线的坐标。计算的时候分别计算U型线每条边产生的磁场。定长直导线计算公式如下：

根据下方导线的坐标计算每段导线产生磁场大小之后再进行叠加计算。以下坐标(X

每匝U型线圈的顶点坐标在下方给出。

通入电流I＝9A，上下方向偏置磁场By＝13.7×10

磁场计算伪彩图如图7、8、9所示，所示三个伪彩图分别为磁场在坐标轴三个方向上磁场的变化图，横纵坐标轴的单位均为mm，右侧色条单位为10

磁场计算结果如图10所示，经计算后，磁场强度和位置都满足后续试验要求。

实施例中U型线铜基座的热传导计算：

为了避免线圈发热，芯片14与铜基座9采用的是非直接接触的安装方式，二者表面距离大于0mm小于1mm，把对芯片的热影响降低到最低。发热的铜基座9对芯片14的影响来自两个方面：空气对流、表面辐射。铜基座9主要的输出热量的途径是金属导热。

空气的自然对流热系数h取值为1～10W/m

灰体表面发出的辐射能q＝εσAT

方形铜基座底部直接连接了一个金属紫铜支柱和铝基座，将方形铜基座朝向芯片一端的温度保持为室温，热量通过连接的金属紫铜杆和固定铜杆的金属铝基座带走。紫铜的导热系数g＝400W/mgK，导热的紫铜杆面积S＝(2×10

通过以上计算可知大量的热都直接被金属基座导热带出本系统，铜基座发热对芯片的影响几乎可以忽略不计。实施例中的安装方式足以维持U型线连续工作状态下的散热。

温差限制为7K的依据是保持低温端温度在露点之上。对于室温22摄氏度，相对湿度60％的情况，露点低于14摄氏度，所以低温端温度为15摄氏度满足要求。

对于半导体制冷片，制冷量十几瓦是非常容易做到的。

由以上的计算可知，本发明的磁场强度满足要求，导线产生的热量对芯片影响可忽略不计。为接下来在芯片上进行实现做好准备。

经实验表明，通过一对四极磁场线圈对称轴中点与上述产生的三维磁光阱磁场的零点重合，产生四极磁场用于囚禁冷原子；所偏置线圈加入上述磁场后，可以很好地抵消掉外部的干扰磁场；原子芯片直接胶合在玻璃吸收池上，与铜基座不直接接触，与铜基座表面间距小于1mm，有效隔热。产生三维磁光阱所需磁场的导线和偏置线圈与产生四极磁场的线圈的组合，既满足了芯片镜面磁光阱对于磁场的要求，又可以进一步在四极磁场和光学偶极势场构成的混合势阱中进行蒸发冷却，可以有效降低导线通电后由于铜基座发热对芯片造成的影响，为在芯片上进行的超冷原子实验创造有利条件。