美国国家标准与技术研究所 (NIST) 的研究人员设计了一种芯片上的光子电路，可将单个入射激光束转换为一系列新光束，每个光束都具有许多不同的光学特性。
新生成的光束（保留原始光束的频率）同时从芯片上的不同位置离开电路。这使得科学家和工程师能够选择特定应用所需的一个或多个光束的具体特性。
精确整形和控制可见光束对于诊断和研究人类疾病、捕获原子至关重要，而原子是世界上最精确的时钟、量子计算和许多其他基于量子的技术的基础。
然而，这样做通常需要占用大量实验室空间的笨重光学器件。NIST 设计的新设备最终可以消除对此类光学器件的需求，并有助于微型化最新一代原子钟和其他设备，使它们走出实验室并进入工作场所。小型便携式原子光学钟可以极大地改善导航系统，特别是在没有 GPS 的水下。
大多数在芯片上整形和引导光的方法，包括采用超表面的方法，通常将具有一组属性的单个光束转换为具有一组不同属性的另一束光束。
相比之下，“我们的设备可以从单个输入光束产生大量的成形光束，”NIST 研究员 Grisha Spektor 说。需要从不同方向同时轰击原子云的多束激光来捕获和冷却原子云，以便将其用作原子钟的基础。最新一代的光学原子钟可能会成为定义秒的新国际 (SI) 标准，通常需要六个激光束。
研究人员包括来自加利福尼亚州斯坦福大学、博尔德科罗拉多大学和博尔德 Octave Photonics 的科学家，他们在 6 月 30 日的Optica杂志在线版上描述了他们的工作。
该电路在 150 纳米（十亿分之一米）厚的超薄五氧化二钽层内产生这些光束，约为人类红细胞直径的百分之一。五氧化二钽通常用于光学涂层，具有高折射率并且几乎完全透明。
斯佩克托和他的同事利用计算机算法在五氧化二钽层上印上了类似瑞士奶酪的图案，这些图案经过定制可以产生多个光束，每个光束都具有不同的特性。Spektor 表示，由于光子电路由单层材料组成，因此制造起来相对容易，并可以根据需要放大到更大的尺寸。
激光束通过通道进入芯片，该通道将光引导到芯片内的几个不同位置。在每个位置，光流被分成两部分。五氧化二钽的结构赋予每个流不同的相位——光波在其波峰和波谷周期内的位置。
此外，两个分裂光流中每一个的偏振（光波振动的平面）相对于另一个旋转 90 度。然后，两束光以各种方式重新组合和散射，产生几乎具有任何所需相位、偏振、方向或发散度的出射光束。
物理学家需要几个宽的或发散的光束来围住原子钟和其他量子技术中使用的原子云。发散光束还有另一个优点：它们可以在芯片的一个很小的区域内产生——不到人类头发宽度的十分之一——使芯片能够产生许多间隔很近的光束。创建光束所需的少量空间也使芯片的其余部分可以自由地执行其他任务，并容纳特定实验或应用可能需要的额外探测器或电子设备。
该团队的测试结果表明，芯片设备一旦完善，应该能够引导、塑造和传输几乎无限数量的各种可见光颜色的紧密间隔的光束。
