Optisk pincet opnår nye bedrifter med at fange atomer

At fange enkelte atomer er lidt som at hyrde katte, hvilket gør forskere ved University of Colorado til Boulder til eksperter i katte-wranglere.

I en ny undersøgelse, et hold ledet af fysiker Cindy Regal viste, at det kunne organisere grupper af individuelle atomer i store gitter med en effektivitet, der ikke kan matches af eksisterende metoder.

Ensomme atomer er en potentiel byggesten til at udnytte kvantefysikken. Hvis forskere kan fange og kontrollere disse små stykker stof med lasere, de kan skabe nye typer materialer, der opfører sig på mærkelige måder. De kunne også føre til kvantecomputere, der måske en dag erstatter traditionelle talknusere.

Det er et stort 'hvis' ' siger forskere. Ligesom de katte, neutrale atomer, eller atomer uden ladning, er ikke nemme at tæmme:de suser rundt, støde ind i hinanden og aldrig sidde stille længe.

Det er her, Regal og hendes kolleger kommer ind i billedet. I forskning offentliggjort for nylig i Fysisk gennemgang X , forskerne rapporterede, at de fangede single, neutrale rubidium atomer med 90 procent sandsynlighed, ved hjælp af små laserstråler, også kaldet "optisk pincet."

Den nye forskning er et skridt fremad for at mestre atomernes glatte dynamik, sagde Regal, en lektor i JILA og Institut for Fysik på CU Boulder.

"Bits i en kvantecomputer vil nødvendigvis være små ting, " sagde hun. "Og hver lille ting byder på sine egne udfordringer for skænderier."

Det er en tilgang, som mange forskere kan drage fordel af, sagde Mark Brown, en af ​​to hovedforfattere af det nye papir.

"Alle i vores felt skal indlæse atomer, " sagde Brown, en kandidatstuderende i fysik. "Så hvis du har en bedre teknik til at fange atomer, så kan mange mennesker gøre brug af dette."

Forbedring af odds

Til dato, videnskabsmænd har vendt sig til en række teknikker til at belaste deres atomer, herunder brug af optisk pincet. I den teknik, forskere krydser først en række laserstråler for at fange flydende atomer og køle dem ned.

Så er det tid til at vinde. Ved omhyggeligt at justere energien i deres lasere, videnskabsmænd har opdaget, at de kan ændre deres atomers adfærd, tvinger dem til at støde ind i hinanden. Som at skrotte gydekatte, disse kollisioner slår atomer ud af fælden i par af to.

Til sidst, du står tilbage med kun en enkelt, overlevende atom. Eller i det mindste, det er hvad der sker omkring halvdelen af ​​tiden, sagde Brown.

"Hvis du sparker alle atomparrene ud, så står du enten tilbage med et atom eller nul atomer, " han sagde.

Hans gruppe ønskede at gøre det bedre end en succesrate på 50 procent. De begyndte med at bruge lasere med en lidt anden farve, end atomfangere typisk vælger.

Under denne nye belysning, rubidium-atomerne kolliderede ikke længere, men i stedet afviste hinanden som at presse de samme poler sammen af ​​to magneter, sagde Tobias Thiele, den anden hovedforfatter af den nye undersøgelse.

"Du kan nu gøre det sådan, at et af atomerne bliver i fælden, og det andet går meget langt væk, sagde Thiele, en postdoc-forsker i Regals laboratorium. "Du ender kun med ét atom i fælden omkring ni gange ud af 10."

At blive organiseret

Med det kontrolniveau, forskerne kunne ikke kun isolere mange flere atomer, men organisere dem mere effektivt. I den nye undersøgelse, de rapporterede, at de kunne samle disse atomer til perfekte seks gange seks gitter på en brøkdel af tiden med nuværende værktøjer.

Forskerne, som også inkluderede kandidatstuderende Chris Kiehl og Ting-Wei Hsu, arbejder nu på at få det tal op, går fra 36 fangede atomer til hundreder eller endda tusinder.

Og det er, når det sjove begynder. Når først forskere kan opretholde disse to- eller endda tredimensionelle gittere, de kan selektivt fortælle individuelle atomer at forbinde sig med en nabo gennem en proces kaldet kvantesammenfiltring. En sådan sammenfiltring, hvor et atom er fundamentalt forbundet med et andet, er grundlaget for kvantecomputere, sagde Thiele.

"Det gode ved dette system er, at du kun kan slå interaktionerne til og fra, når du vil, " han sagde.

Hvilket giver nogle velopdragne katte.