你见过只能“单眼视物”的量子设备吗？作为原子钟、磁强计等量子传感器的核心部件，传统原子气室长期被“单光通道”限制——就像给设备戴了副“单孔眼镜”，无法同时接收多束激光，严重制约性能提升。我国西安交通大学团队近日在《Engineering》期刊上公布一项突破：通过微纳加工技术造出“多光通道”原子气室，让量子设备能“双眼看世界”，甚至“多眼观六路”。

量子“心脏”的“单窗之困”

原子气室是量子传感器的“心脏”。这个几毫米大小的“玻璃小房子”里，封存着铷（Rb）等碱金属原子和氙气（129Xe、131Xe）。当激光穿过气室与原子“对话”，就能探测磁场、旋转等微小变化。但传统气室有个致命短板：受限于加工技术，它只有两个透光窗口，像“单车道”，只能支持单束激光进出。而原子陀螺仪、双光束磁强计等先进设备需要多束正交激光同时工作，“单窗”气室根本“接不住”。

给气室“开多窗”的关键：给玻璃内壁“抛光”

要让气室有多个光通道，核心是让玻璃内壁足够光滑——粗糙的内壁会像“毛玻璃”一样散射激光，导致信号模糊。团队想出了“内侧壁模压工艺”：先在玻璃上用激光钻出3毫米见方的小孔（相当于给气室“挖窗框”），再把高精度氧化铝模具（表面粗糙度仅10纳米，比头发丝细万倍）塞进孔里。加热到玻璃软化的温度（约790℃）后，玻璃和模具因热膨胀相互挤压，模具的光滑表面就“印”在了玻璃内壁上，把原本5.65微米的“砂纸表面”磨成了22纳米的“镜面”（比普通玻璃还光滑）。

这套工艺还解决了批量生产难题：通过多层阳极键合技术，把玻璃和硅片一层层粘牢，再用激光切割分块，一片4英寸的晶圆能做出236个气室，成本大幅降低。更“抠门”的是，团队设计了氙气回收系统——氙气价格昂贵，每次填充只有千分之一被封进气室，回收系统能把剩下的氙气存起来重复用，省了不少“真金白银”。

实验证明：多窗气室“能扛能打”

测试数据给出了“硬实力”：模压后的气室内壁透射率达87%-91%（接近普通玻璃的94%），完全满足光学通道要求。往气室里充入铷原子和氙气后，团队用双光束系统测试：一束795纳米激光从“窗口1”射入，激活铷原子；另一束780纳米激光从“窗口2”或“窗口3”射入，探测原子自旋信号。结果显示，氙气的自旋弛豫时间（衡量信号稳定性的关键指标）达到2-5秒，131Xe的电场四极频移（影响精度的干扰项）仅几十毫赫兹，比传统气室小得多。

未来：量子设备“眼睛”更亮，应用场景更广

目前，这种多光通道气室已能支持原子陀螺仪、双光束磁强计等设备的多光束操作。但团队也在“查漏补缺”：比如进一步提升内壁透射率，延长氙气的自旋弛豫时间（可能通过添加氢气或氘气形成保护膜）。未来，随着芯片级量子设备的普及，这种“多窗”气室有望成为标配，让量子传感器更小巧、更灵敏，在导航、医疗检测、基础物理研究等领域“大显神通”。

从“单窗”到“多窗”，原子气室的这场升级，不仅是加工技术的突破，更像给量子设备装上了“广角镜头”——当它能同时“看”多个方向的激光，我们对微观世界的探测也将更精准、更全面。

来源: Engineering