冷原子真空测量中磁阱系统的优化设计：抑制Majorana损耗与提升XHV测量精度

本研究针对冷原子真空测量中磁四极阱存在的Majorana损耗问题，设计了一种适用于超高真空（UHV）/极高真空（XHV）测量的苜蓿叶型磁阱（cloverleaf trap）。通过优化线圈参数，实现了轴向曲率20 G/cm2、径向梯度23.7 G/cm的磁场分布，将Majorana损耗导致的真空压力反演误差降至2.5×10-12 Pa，同时可捕获2.73×106个原子，为建立室温下XHV一级标准提供了关键技术支撑。

　　

在追求极限真空度的科学探索中，冷原子真空测量技术被誉为"真空计量领域的革命性突破"。这项技术利用磁阱中冷原子与背景气体碰撞的损耗率来反演真空压力，理论上可建立不依赖传统电离规的一级真空标准。然而，当前广泛采用的磁四极阱存在一个致命缺陷——当原子靠近磁场零点时，会发生量子自旋翻转（Majorana跃迁），导致非碰撞性原子损耗。以⁷Li原子为例，这种损耗会使真空测量产生约1.0×10^-9 Pa的系统误差，严重制约了XHV（10^-12 Pa量级）的精确测量。

为解决这一难题，中国计量科学研究院的研究团队创新性地设计了基于Ioffe-Pritchard原理的苜蓿叶型磁阱系统。相比传统四极阱或需要高频旋转磁场的TOP阱（Time-averaged Orbiting Potential），这种结构通过引入19 G的偏置磁场，从根本上消除了磁场零点问题。研究团队通过电磁场仿真优化线圈布局，在保持高梯度磁场（23.7 G/cm）的同时，将轴向曲率控制在20 G/cm²，使Majorana损耗导致的压力测量误差降低三个数量级。相关成果发表在《Vacuum》期刊，为建立室温下可操作的XHV一级标准提供了关键技术方案。

研究采用三项核心技术：1）基于麦克斯韦方程组的电磁场数值模拟，优化苜蓿叶型线圈的几何参数与电流配置；2）高温条件下（k_BT>2?ω）的Majorana损耗率理论计算模型；3）多物理场耦合的热管理分析，通过水冷系统将线圈温升控制在14.90°C以内。

【研究结果】

1. 苜蓿叶型磁阱原理：通过曲率线圈（75 A）、反偏置线圈（38.5 A）和梯度线圈（100 A）的协同作用，产生具有非零最小值的三维磁场分布，避免原子发生Majorana跃迁。

2. 设计需求：针对90 mm间距的真空测量腔体，优化线圈布局使其兼容多光束探测光路，同时满足20 G/cm²曲率和23.7 G/cm梯度的磁场要求。

3. 总体设计：采用分层线圈结构，曲率/反偏置线圈靠近真空腔，梯度线圈位于外层。仿真显示该设计可捕获2.73×10⁶个原子，满足压力反演所需的信号强度。

4. 热管理分析：9.05 m曲率线圈、20.06 m反偏置线圈和17.72 m梯度线圈采用并联水路设计，在固定压差下最大温升14.90°C，确保系统稳定运行。

5. 结论：在19 G偏置场下，Majorana损耗引起的压力测量误差仅为2.5×10^-12 Pa，较四极阱提升三个数量级，且原子捕获量满足XHV测量需求。

这项研究的意义在于：首次将苜蓿叶型磁阱成功应用于真空计量领域，通过精巧的电磁设计在原子捕获效率与Majorana抑制之间取得平衡。相比玻璃腔体依赖的TOP阱，该设计兼容金属真空系统，更适用于实际工程应用。研究建立的磁场参数优化方法和热管理方案，为未来开发小型化、高精度的冷原子真空标准装置奠定了理论基础和技术储备。特别是将Majorana损耗控制在10^-12 Pa量级以下，使得基于磁阱的真空测量技术真正具备了作为XHV一级标准的资格，有望推动真空计量学进入量子传感新时代。