你知道嗎？量子傳感器的“心臟”——原子氣室，過去只能開“單扇窗”，限制了多光束操作的可能。如今，我國西安交通大學團隊在《Engineering》期刊上公布一項新技術：通過微納加工造出“多窗版”原子氣室，讓量子設備能同時“接收”多束激光，為高精度原子鐘、磁強計等設備升級提供了關鍵部件。

傳統氣室的“單窗困境”：量子設備的“視野”受限

原子氣室是量子傳感器的核心——它像個“小房子”，里面裝著銣（Rb）等堿金屬原子和氙氣（129Xe、131Xe），激光通過氣室與原子相互作用，就能探測磁場、旋轉等微小變化。但傳統氣室有個大問題：受限于加工技術，它只有兩個透光窗口，像“單車道”，只能支持單束激光進出。而像原子陀螺儀、雙光束磁強計等先進設備，需要多束正交激光同時工作，“單窗”氣室根本滿足不了需求。

如何給氣室開“多扇窗”？關鍵在“內壁拋光術”

要讓氣室有多個光通道，核心是讓玻璃內壁足夠光滑——粗糙的內壁會散射激光，影響信號質量。團隊想出了“內側壁模壓工藝”：先在玻璃上激光鉆出3毫米見方的小孔（像給房子挖“窗框”），再用高精度氧化鋁模具（表面粗糙度僅10納米，比頭發絲細萬倍）塞進孔里，加熱到玻璃軟化的溫度（約790℃）。這時玻璃和模具因熱膨脹相互擠壓，模具的光滑表面就“印”在了玻璃內壁上，把原本5.65微米的粗糙表面（像砂紙）磨成了22納米的“鏡面”（比普通玻璃還光滑）。

這套工藝還解決了批量生產難題：通過多層陽極鍵合技術，把玻璃和硅片一層層粘牢，再用激光切割分塊，一片4英寸的晶圓能做出236個氣室，成本大幅降低。更貼心的是，團隊還設計了氙氣回收系統——氙氣價格昂貴，每次填充只有千分之一被封進氣室，回收系統能把剩下的氙氣存起來重復用，省了不少錢。

實驗驗證：多窗氣室“能打”！

測試數據證明，這種氣室的內壁透射率達87%-91%（接近普通玻璃的94%），完全滿足光學通道要求。往氣室里充入銣原子和氙氣后，團隊用雙光束系統測試：一束795納米激光從“窗口1”射入，泵浦（激活）銣原子；另一束780納米激光從“窗口2”或“窗口3”射入，探測原子自旋信號。結果顯示，氙氣的自旋弛豫時間（衡量信號穩定性的關鍵指標）達到2-5秒，131Xe的電場四極頻移（影響精度的干擾項）僅幾十毫赫茲，比傳統氣室小得多。

未來：從實驗室到芯片，量子設備更“聰明”

目前，這種多光通道氣室已能支持原子陀螺儀、雙光束磁強計等設備的多光束操作。但團隊也坦言，還有優化空間：比如進一步提升內壁透射率，延長氙氣的自旋弛豫時間（可能通過添加氫氣或氘氣形成保護膜）。未來，隨著芯片級量子設備的普及，這種“多窗”氣室有望成為標配，讓量子傳感器更小巧、更靈敏，在導航、醫療檢測、基礎物理研究等領域大顯身手。

從“單窗”到“多窗”，原子氣室的這場升級，不僅是加工技術的突破，更像給量子設備裝上了“廣角鏡頭”——當它能同時“看”多個方向的激光，我們對微觀世界的探測也將更精準、更全面。

來源: Engineering