Forskere udvikler miniaturelinse til at fange atomer

Atomer er notorisk svære at kontrollere. De zigzagger som ildfluer, tunnelerer ud af de stærkeste beholdere og ryster selv ved temperaturer nær det absolutte nulpunkt.

Ikke desto mindre er videnskabsmænd nødt til at fange og manipulere enkelte atomer for at kvanteenheder, såsom atomure eller kvantecomputere, kan fungere korrekt. Hvis individuelle atomer kan sammenkøres og styres i store arrays, kan de tjene som kvantebits eller qubits - bittesmå diskrete informationsenheder, hvis tilstand eller orientering i sidste ende kan bruges til at udføre beregninger med hastigheder, der er langt større end den hurtigste supercomputer.

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har sammen med samarbejdspartnere fra JILA – et fælles institut for University of Colorado og NIST i Boulder – for første gang vist, at de kan fange enkelte atomer ved hjælp af en ny miniaturiseret version af "optisk pincet" - et system, der griber atomer ved hjælp af en laserstråle som spisepinde.

Normalt har en optisk pincet, som modtog Nobelprisen i fysik i 2018, voluminøse centimeter-størrelse linser eller mikroskopobjektiver uden for vakuumet, der rummer individuelle atomer. NIST og JILA har tidligere brugt teknikken med stor succes til at skabe et atomur.

I det nye design, i stedet for typiske linser, brugte NIST-teamet ukonventionel optik - en firkantet glaswafer på omkring 4 millimeter i længden påtrykt med millioner af søjler kun et par hundrede nanometer (milliarddele af en meter) i højden, der tilsammen fungerer som bittesmå linser. Disse prægede overflader, kaldet metasurfaces, fokuserer laserlys for at fange, manipulere og afbilde individuelle atomer i en damp. Metaoverfladerne kan fungere i det vakuum, hvor skyen af ​​fangede atomer er placeret, i modsætning til almindelige optiske pincet.

Processen omfatter flere trin. For det første rammer indkommende lys, der har en særlig enkel form, kendt som en plan bølge, grupper af de bittesmå nanopiller. (Planbølger er som bevægelige parallelle lysark, der har en ensartet bølgefront eller fase, hvis svingninger forbliver synkroniserede med hinanden og hverken divergerer eller konvergerer, mens de bevæger sig.) Grupperingerne af nanopiller transformerer de plane bølger til en række små bølger. wavelets, som hver især er lidt ude af sync med sin nabo. Som et resultat når tilstødende wavelets deres højdepunkt på lidt forskellige tidspunkter.

Disse wavelets kombinerer eller "interfererer" med hinanden, hvilket får dem til at fokusere al deres energi på en bestemt position - placeringen af ​​det atom, der skal fanges.

Afhængigt af vinklen, hvorved de indkommende plane bølger af lys rammer nanopillerne, fokuseres bølgerne på lidt forskellige steder, hvilket gør det muligt for det optiske system at fange en række individuelle atomer, der ligger lidt forskellige fra hinanden.

Fordi mini-fladlinserne kan betjenes i et vakuumkammer og ikke kræver bevægelige dele, kan atomerne fanges uden at skulle bygge og manipulere et komplekst optisk system, sagde NIST-forsker Amit Agrawal. Andre forskere ved NIST og JILA har tidligere brugt konventionel optisk pincet med stor succes til at designe atomure.

I det nye studie designede, fremstillede og testede Agrawal og to andre NIST-forskere, Scott Papp og Wenqi Zhu, sammen med samarbejdspartnere fra Cindy Regals gruppe på JILA metaoverfladerne og udførte enkeltatomfangsteksperimenter.

I et papir offentliggjort i dag i PRX Quantum , rapporterede forskerne, at de separat havde fanget ni enkelte rubidiumatomer. Den samme teknik, opskaleret ved at bruge flere metasurfaces eller en med stort synsfelt, burde være i stand til at begrænse hundredvis af enkelte atomer, sagde Agrawal, og kunne føre vejen til rutinemæssigt at fange en række atomer ved hjælp af et optisk system i chip-skala .

Systemet holdt atomerne på plads i omkring 10 sekunder, hvilket er længe nok til at studere partiklernes kvantemekaniske egenskaber og bruge dem til at lagre kvanteinformation. (Kvanteeksperimenter opererer på tidsskalaer fra ti milliontedele til tusindedele af et sekund.)

For at demonstrere, at de fangede rubidium-atomerne, belyste forskerne dem med en separat lyskilde, hvilket fik dem til at fluorescere. Metaoverfladerne spillede derefter en anden kritisk rolle. Til at begynde med havde de formet og fokuseret det indkommende lys, der fangede rubidium-atomerne. Nu fangede og fokuserede metaoverfladerne det fluorescerende lys, der udsendes af de samme atomer, og omdirigerede den fluorescerende stråling ind i et kamera for at afbilde atomerne.

Metaoverfladerne kan mere end blot at begrænse enkelte atomer. Ved at fokusere lys med stor nøjagtighed kan metaoverfladerne lokke individuelle atomer til specielle kvantetilstande, skræddersyet til specifikke atomfangende eksperimenter.

For eksempel kan polariseret lys rettet af de små linser få et atoms spin - en kvanteegenskab analog med Jorden, der drejer om sin akse - til at pege i en bestemt retning. Disse interaktioner mellem fokuseret lys og enkelte atomer er nyttige til mange typer atomskalaeksperimenter og enheder, herunder fremtidige kvantecomputere. + Udforsk yderligere

Skræddersyet magneto-optisk fælde giver mulighed for afkøling af indiumatomer til nær det absolutte nul

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.