Атомные чипы: там, где микроэлектроника сливается с фотоникой

На сегодняшний момент времени при построении квантовых сенсоров чаще используют нейтральные атомы, молекулы, ионы, реже – наночастицы или фотоны. Известен ряд технологических ограничений при использовании частиц в построении квантовых сенсоров – это зависимость ширины распределения частиц по скоростям от температуры, которая является мерой их кинетической энергии. С другой стороны, уширение скоростного распределения частиц за счет воздействия на ансамбль частиц исследуемых физических полей используется для детектирования последних. А начало этому направлению прикладных работ было положено открытием в Институте спектроскопии АН СССР Владиленом Степановичем Летоховым лазерного охлаждения. То, что разброс атомов по скоростям приводит к ухудшению интерференционной картины в атомном интерферометре, на основе которого были построены атомные стандарты частоты, стало известно еще в начале 60-х годов прошлого века. Летохов предложил для снижения уширения спектра скоростей атомов, то есть для увеличения монохроматичности ансамбля частиц, использовать лазерное охлаждение. В 1981 году его ученик Виктор Иванович Балыкин подтвердил экспериментально это предположение.

Охлаждение атомов лазерным излучением позволяет опустить температуру ансамбля частиц до 10^-6 К, (в то время как охлаждение жидким гелием снижает температуру до величин порядка только 10^-3 К). Теперь стало возможным локализовать и единичные атомы для квантовых кубитов, и ансамбли для квантовых сенсоров. Техника испарительного охлаждения добавила охлаждение атомного ансамбля до рекордно низких температур в десятки пикоКельвин (10×10^-12 К).

Фотоны не имеют массы, и это стало недостатком для использования их в квантовых сенсорах инерциальных сил и гравитационных полей. А вот атомы, наоборот, имеют массу. Так как невозможно отличить ускорение, вызванное гравитацией от ускорения, вызванного внешними силами, воздействующими на инерциальную систему, то свободно падающий атом является идеальным объектом для построения абсолютного гравиметра – прибора для измерения ускорения свободного падения. С помощью такого прибора можно построить карту гравитационных полей, что решает множество задач: от навигации до разведки полезных ископаемых.

Но в условиях наземных лабораторий оказалось невозможным проведение точных гравитационных измерений, поэтому исследования переместились в космос. Однако любопытство ученых и тут оказалось ограниченным – на размеры атомных интерферометров легло требование снижения массогабаритных характеристик запускаемых космических аппаратов. Поэтому отличительной особенностью квантовых сенсоров на основе холодных атомов в космических миссиях стало использование атомных чипов. Принцип управления атомными ансамблями базируется на способе удержания ансамбля и получения сверхнизких температур с помощью создания градиента магнитного поля.

Высокие градиенты магнитного поля существуют вблизи проводников с электрическим током. Поэтому ансамбли холодных атомов надо разместить вблизи токонесущих проводов, а еще лучше вблизи набора токонесущих проводов. Причем набор должен быть собран в условиях высокого вакуума. Техника создания таких технических устройств нашлась – это атомный чип, создание которого базируется на кремниевой технологии, на методах, которые аналогичны тем, что используются для создания микросхем: на поверхности кремниевой подложки создаются металлические микропровода толщиной от единиц до десятков микрометров и шириной от сотен до десятков микрометров.

Но решение задач навигации и гравиметрии требует, чтобы через микропровода мог проходить ток, составляющий единицы ампер, что, несомненно, вызовет их нагрев и возможное разрушение. Это требует поиска новых методических и технических подходов к созданию атомного чипа. Однако и эта техническая задача была решена.

В России впервые атомный чип был продемонстрирован в Институте спектроскопии РАН в 2021 году. Благодаря оптимизации каналов отвода тепла удалось создавать высокие градиенты магнитного поля за счет пропускания токов величиной вплоть до 3 А через микропровода шириной 100 мкм в непрерывном режиме. Атомный чип объединил в себе кремниевую технологию для создания технических устройств и методы атомной оптики для охлаждения, локализации и детерминированного управления холодными и ультрахолодными атомами вблизи поверхности.

В Институте спектроскопии РАН продолжаются работы по созданию атомных чипов для навигационных модулей и приборов для исследования гравитационных полей. Они проводятся по программе госзадания института и при поддержке гранта Российского научного фонда (РНФ).

Все желающие могут обсудить возможности использования технологий микроэлектроники в решении задач фотоники, а также использования абсолютных гравиметров на заседаниях секций «Технологии оптоэлектроники и фотоники» и «Квантовые технологии – квантовые коммуникации». Научные мероприятия в рамках форума «Микроэлектроника» открывают широкие возможности для высказывания идей проектов, предложений своих разработок, готовых к внедрению, которые тут же могут найти поддержку своего развития в кругу специалистов, разработчиков аппаратуры, представителей бизнес-сообщества, и ведомств.

***
Форум проводится при поддержке Министерства промышленности и торговли Российской Федерации, Группы компаний «Элемент». Организаторы Форума – АО «НИИМЭ» и АО «НИИМА «Прогресс». Генеральный партнер – Фонд перспективных исследований (ФПИ). Официальный партнер – АО «Крафтвэй корпорэйшн ПЛС» (торговая марка Kraftway). Инновационные партнеры – АО «ОКБ «Астрон», ООО «Лазерный центр». Партнер деловой программы – ООО «НМ-Тех». Спортивный партнер – АО «Микрон». Партнеры – ДЦ «ГеоСтар Навигация», АО «АИСА ИТ-Сервис», Фонд «Сколково», Группа компаний «ШТРИХ-М», АО «Эпиэл», ООО «Аэроб», АО «ЗНТЦ», ООО «Совтест АТЕ», Консорциум «Доверенные и экстремальные электронные системы» (НИЯУ МИФИ – АО «ЭНПО СПЭЛС»), ООО «Остек-ЭК». Оператор Форума – агентство деловых коммуникаций «ПрофКонференции». Генеральный информационный партнер – АО «РИЦ «ТЕХНОСФЕРА».