3D打印制造更小、更轻的冷原子阱

由英国诺丁汉大学的物理学家领导的一个团队创建了一个3D 打印的磁光阱 (MOT)，能够在比绝对零度高几分之一度的温度下容纳超过 2 × 10 8 的铷原子。该演示表明，更正式地称为增材制造 (AM) 的 3D 打印可以满足高精度冷原子实验的需求，可能为基于该技术的便携式量子设备铺平道路。

冷原子实验的出发点是在尽可能小的空间内捕获和冷却尽可能多的原子。一旦完成，就可以研究原子的量子行为，这种行为只能在非常低的温度下观察到。然后可以控制这种行为以创建一些世界上最准确的测量设备，包括原子钟。MOT 是这一过程的关键组成部分，它将激光和磁场结合在一起，使原子减速并将它们固定到位。

光学系统的增材制造

为了构建自己的3D打印MOT，他们在描述 PRX量子，诺丁汉研究人员专家顾问上午，与同事的工作增加科技有限公司。该过程从计算机设计开始，如下所示。然后将设计转换为一组指令，打印机使用这些指令逐层构建物理对象。因此，印刷组件可以从数学优化的设计中受益，使其比传统制造的组件更小、更轻。

新设计结合了多种 AM 元素，包括将激光精确引导到包含原子的真空室中的支架（见图）。真空室本身是使用 AM 技术建造的，这进一步有助于捕获原子，因为它可以仔细控制将原子固定在适当位置的磁场方向。与高达一公斤的商用真空室相比，使用这种技术建造的真空室的质量也仅为 245 克，因此非常适合实验室以外的便携式应用。它们的制造速度也很快，这意味着高度专业化设计的漫长交付时间可能成为过去。

除了使组件更小、更轻之外，AM 工艺还引入了新功能。例如，激光的定位是通过称为光谱和功率分配设备的单元来控制和调节的。该装置中的免调整 AM 安装座使研究人员能够将光学设备插入预先对齐的插槽中，而不必手动微调设置——任何在实验室中苦心调整光学组件的人都会欢迎这一优势。

构建光学系统时的一大挑战是确保系统稳定且激光保持对齐。新的 AM 设计通过减少光在进入真空室之前被反射的次数来解决这个问题。由于较少的反射，光束的位置偏离和到达真空室的可能性较小。AM 方法的另一个好处是设计中只包含足够的材料来固定组件。这减少了系统的整体重量，同时保持其足够凉爽以进行实验。

房间的内部也包含了进步。传统的 MOT 设计通过使电流通过线圈并持续使用能量来产生磁场，而诺丁汉团队表明，可以用永磁体阵列来捕获原子。他们借用医学物理领域广泛用于 MRI 机器的技术，通过优化磁铁的配置来产生所需的磁场。

系统性能和展望

这些 AM 组件结合产生可以捕获 2.5 × 10 8铷原子的 MOT ，证明 3D 打印部件可以成功地集成到冷原子实验中。“我们的方法能够快速制造复杂的光学系统，同时提高长期稳定性，”团队成员和诺丁汉博士生Somaya Madkhaly 说。她补充说，AM 技术在未来为小型化和改进系统性能提供了更大的空间，可能的策略包括进一步优化磁场产生以提高捕获能力和电子系统的自动化。

“3D 打印近年来变得越来越流行，因为它允许直接实施智能设计和基于算法的改进，”Madkhaly 说。“未来，量子光学装置或真空室可用于使用我们的 AM 技术创建新标准。”