你見過只能“單眼視物”的量子設備嗎？作為原子鐘、磁強計等量子傳感器的核心部件，傳統原子氣室長期被“單光通道”限制——就像給設備戴了副“單孔眼鏡”，無法同時接收多束激光，嚴重制約性能提升。我國西安交通大學團隊近日在《Engineering》期刊上公布一項突破：通過微納加工技術造出“多光通道”原子氣室，讓量子設備能“雙眼看世界”，甚至“多眼觀六路”。

量子“心臟”的“單窗之困”

原子氣室是量子傳感器的“心臟”。這個幾毫米大小的“玻璃小房子”里，封存著銣（Rb）等堿金屬原子和氙氣（129Xe、131Xe）。當激光穿過氣室與原子“對話”，就能探測磁場、旋轉等微小變化。但傳統氣室有個致命短板：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“接不住”。

給氣室“開多窗”的關鍵：給玻璃內壁“拋光”

要讓氣室有多個光通道，核心是讓玻璃內壁足夠光滑——粗糙的內壁會像“毛玻璃”一樣散射激光，導致信號模糊。團隊想出了“內側壁模壓工藝”：先在玻璃上用激光鉆出3毫米見方的小孔（相當于給氣室“挖窗框”），再把高精度氧化鋁模具（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℃）后，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“砂紙表面”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“摳門”的是，團隊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“真金白銀”。

實驗證明：多窗氣室“能扛能打”

測試數據給出了“硬實力”：模壓后的氣室內壁透射率達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，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：量子設備“眼睛”更亮，應用場景更廣

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。但團隊也在“查漏補缺”：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“大顯神通”。

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