【技術實現步驟摘要】
本專利技術應用于原子精密測量領域，特別是原子陀螺儀領域。該領域中需要冷原子團產生環形物質波干涉，具體是一種雙層原子芯片陀螺儀，產生可裝載冷原子團的環形磁導引，形成冷原子團環形束流。
技術介紹
1、為實現導引型原子芯片陀螺儀，一個核心挑戰在于構建能夠導引冷原子團沿閉合環路進行干涉的環形磁勢阱。盡管ling?yun-long等人(2020,acta?phys.sin.69(10)100301)提出一種原子芯片結構，可以產生閉合光滑導引中心無磁場零點的環形磁導引。該結構是由三根包含阿基米德螺線和圓弧的導線，以π/3的間隔交錯排列而成。其中，阿基米德螺線部分用于產生環形磁導引，圓弧部分用于聯通電流，解決了環形磁導引的缺口問題。
2、然而，這一方案在實際應用中卻面臨著顯著的局限性。首先，盡管該結構能夠產生所需的環形磁導引，但其中心磁勢能的起伏卻超出了分束激光所能提供的雙光子動能范圍。這意味著，如果沒有額外的動能補充機制，冷原子團很難在環形磁導引中順利完成一整圈的運動，無法形成必要的環形束流，無法探測物質波陀螺儀效應。其次，從冷原子裝載的角度來看，三線阿基米德螺線結構的復雜性和發散性帶來了額外的挑戰。在宏觀磁光阱中捕獲的冷原子需要通過過渡磁阱轉移到環形磁阱中，但由于該結構的特殊性，周圍難以有效布線以產生除環形磁導引以外的其他磁阱，這極大地限制了裝載過程的靈活性和效率。
3、因此，如何在保持環形磁導引優勢的同時，解決冷原子裝載和動能補充的問題，成為了當前技術發展的瓶頸所在。
技術實現思路b>
1、為克服上述現有技術的不足，本專利技術提出一種雙層原子芯片陀螺儀，能夠解決冷原子團在僅依賴分束激光雙光子動能時，難以在三線阿基米德螺線結構產生的環形磁導引中完整運動形成環形束流的問題，以及冷原子團從宏觀磁光阱向環形磁導引高效轉移的挑戰。
2、本專利技術的技術解決方案如下：
3、一方面，本專利技術提供一種雙層原子芯片陀螺儀，其特點在于，由表層芯片和底層芯片粘貼而成，所述表層芯片，用于產生閉合光滑導引中心無磁場零點的環形磁導引；所述底層芯片，用于生成分級過渡磁阱，以實現冷原子團從宏觀磁光阱到環形磁導引的轉移，并在轉移過程中進一步冷卻；所述表層芯片和底層芯片通過時序上的配合以及磁阱結構的變化，為冷原子團提供額外的角動量，從而實現環形束流，用于探測物質波陀螺儀效應。
4、進一步，所述表層芯片由三根形狀相同的導線以π/3的旋轉角度交錯排列在原子芯片基底上，每根導線依次由第一直導線段、第一阿基米德螺線導線段、第一圓弧導線、第二圓弧導線段、第二阿基米德螺線導線段和第二直導線段構成；其中，所述第一直導線段和第二直導線段分別用于電流的輸入和輸出；所述第一阿基米德螺線導線段和第二阿基米德螺線導線段用于產生環形磁場引導。
5、進一步，所述第一阿基米德螺線導線段和第二阿基米德螺線導線段中心在極坐標下的表達式為：
6、r＝5+(0.3/π)θ，其中，r是阿基米德螺線導線段中心的半徑，θ為旋轉角度。
7、進一步，所述第一圓弧導線段與第一阿基德米螺線導線段起始點連接，所述第一直導線段與第一阿基米德螺線導線段終點連接且相切；所述第二圓弧導線段與第二阿基德米螺線導線段起始點連接，所述第二直導線段與第二阿基米德螺線導線段終點連接且相切。
8、進一步，所述底層芯片由五根互相平行的導線和一個垂直貫穿五根導線的第六導線排列在原子芯片基底上，通過在導線上加載不同的電流，構造出多個z型導線結構，產生分級過渡磁阱，包括宏觀z阱、z型微磁阱和dimple阱，從而實現冷原子團從宏觀磁光阱向環形磁導引的平穩轉移。
9、進一步，所述五根導線，分別為第一導線、第二導線、第三導線、第四導線和第五導線，其中，所述第三導線排布在原子芯片基底的中心，寬度為0.1mm，所述第二導線和第四導線以第三導線為中心軸對稱分布，且兩者的間距為2mm，寬度為0.2mm；所述第一導線和第五導線以第三導線為中心軸對稱分布，且兩者間距為6mm，寬度為0.5mm；所述第六導線排布在原子芯片基底的下部，且距離原子芯片基底下沿14.8mm，寬度為0.5mm。
10、兩層芯片導線布局均為平面結構，易于刻蝕在芯片表面且方便調試，系統魯棒性強。
11、另一方面，本專利技術還提供一種利用上述雙層原子芯片陀螺儀產生環形束流的方法，其特征在于，
12、首先，通過底層芯片的導線加載電流，形成宏觀z阱，接應宏觀磁光阱內的冷原子團；
13、然后，逐漸調整電流，使磁阱向芯片表面移動并壓縮，最終將冷原子團裝載入dimple阱中；
14、關閉底層芯片的電流和偏置磁場，同時表層芯片的三根導線加載調制電流，在表層芯片下方形成環形磁導引，此時，冷原子團從dimple阱中被裝載入環形磁導引中，冷原子團在角向獲得額外的動量，形成環形束流。
15、與現有技術相比，本專利技術的有益效果如下：
16、1)表層芯片加載調制電流后可以產生閉合光滑導引中心無磁場零點的環形磁導引，利用該磁導引可以讓冷原子團實現環路干涉，探測物質波陀螺儀效應，且表層芯片導線為平面結構方便加工制作；
17、2)利用底層芯片可以產生x方向逐漸壓縮、磁阱頻率逐漸升高且磁阱中心逐漸靠近芯片表面的無磁場零點磁勢阱，實現冷原子團從宏觀磁光阱最終可以高效轉移裝載入環形磁導引，底層芯片導線亦為平面結構方便加工制作；
18、3)冷原子團由底層芯片形成的dimple阱裝載入表層芯片形成的環形磁導引中時，磁阱對冷原子團的角向束縛消失，徑向束縛增大，給予冷原子團提供額外的角動量，實現冷原子團環形束流。
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1.一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，由表層芯片和底層芯片粘貼而成，所述表層芯片，用于產生閉合光滑導引中心無磁場零點的環形磁導引；所述底層芯片，用于生成分級過渡磁阱，以實現冷原子團從宏觀磁光阱到環形磁導引的轉移，并在轉移過程中進一步冷卻；所述表層芯片和底層芯片通過時序上的配合以及磁阱結構的變化，為冷原子團提供額外的角動量，從而實現環形束流，用于探測物質波陀螺儀效應。
2.根據權利要求1所述的一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，所述表層芯片由三根形狀相同的導線以π/3的旋轉角度交錯排列在原子芯片基底上，每根導線依次由第一直導線段(1)、第一阿基米德螺線導線段(2)、第一圓弧導線(3)、第二圓弧導線段(4)、第二阿基米德螺線導線段(5)和第二直導線段(6)構成；其中，所述第一直導線段(1)和第二直導線段(6)分別用于電流的輸入和輸出；所述第一阿基米德螺線導線段(2)和第二阿基米德螺線導線段(5)用于產生環形磁場引導。
3.根據權利要求2所述的一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，所述第一阿基米德螺線導線段(2)和第二阿基米德螺線導線段(5)中心在極坐標下的表達
4.根據權利要求2所述的一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，所述第一圓弧導線段與第一阿基德米螺線導線段起始點連接，所述第一直導線段與第一阿基米德螺線導線段終點連接且相切；所述第二圓弧導線段與第二阿基德米螺線導線段起始點連接，所述第二直導線段與第二阿基米德螺線導線段終點連接且相切。
5.根據權利要求1所述的一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，所述底層芯片由五根互相平行的導線和一個垂直貫穿五根導線的第六導線排列在原子芯片基底上，通過在導線上加載不同的電流，構造出多個Z型導線結構，產生分級過渡磁阱，包括宏觀Z阱、Z型微磁阱和dimple阱，從而實現冷原子團從宏觀磁光阱向環形磁導引的平穩轉移。
6.根據權利要求5所述的一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，所述五根導線，分別為第一導線(41)、第二導線(42)、第三導線(43)、第四導線(44)和第五導線(45)，其中，所述第三導線(43)排布在原子芯片基底的中心，寬度為0.1mm，所述第二導線(42)和第四導線(44)以第三導線(43)為中心軸對稱分布，且兩者的間距為2mm，寬度為0.2mm；所述第一導線(41)和第五導線(45)以第三導線(43)為中心軸對稱分布，且兩者間距為6mm，寬度為0.5mm；所述第六導線(46)排布在原子芯片基底的下部，且距離原子芯片基底下沿14.8mm，寬度為0.5mm。
7.一種利用權利要求1-6任一所述的雙層原子芯片陀螺儀產生環形束流的方法，其特征在于，
8.根據權利要求7所述的雙層原子芯片陀螺儀產生環形束流的方法，其特征在于，所述表層芯片的三根導線加載調制電流，調制電流表達式分別為：
...【技術特征摘要】
1.一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，由表層芯片和底層芯片粘貼而成，所述表層芯片，用于產生閉合光滑導引中心無磁場零點的環形磁導引；所述底層芯片，用于生成分級過渡磁阱，以實現冷原子團從宏觀磁光阱到環形磁導引的轉移，并在轉移過程中進一步冷卻；所述表層芯片和底層芯片通過時序上的配合以及磁阱結構的變化，為冷原子團提供額外的角動量，從而實現環形束流，用于探測物質波陀螺儀效應。
2.根據權利要求1所述的一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，所述表層芯片由三根形狀相同的導線以π/3的旋轉角度交錯排列在原子芯片基底上，每根導線依次由第一直導線段(1)、第一阿基米德螺線導線段(2)、第一圓弧導線(3)、第二圓弧導線段(4)、第二阿基米德螺線導線段(5)和第二直導線段(6)構成；其中，所述第一直導線段(1)和第二直導線段(6)分別用于電流的輸入和輸出；所述第一阿基米德螺線導線段(2)和第二阿基米德螺線導線段(5)用于產生環形磁場引導。
3.根據權利要求2所述的一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，所述第一阿基米德螺線導線段(2)和第二阿基米德螺線導線段(5)中心在極坐標下的表達式為：
4.根據權利要求2所述的一種雙層原子芯片陀螺儀，其特征在于，所述第一圓弧導線段與第一阿基德米螺線導線段起始點連接，所述第一直導線段與第一阿基米德螺線導線段終點連接且相切；所述第二圓弧導線段與第二阿基德米螺線導...
【專利技術屬性】
技術研發人員：汪川，張海潮，
申請(專利權)人：中國科學院上海光學精密機械研究所，
類型：發明
國別省市：
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