Графическая иллюстрация фокусировки света с использованием плоской стеклянной поверхности, усыпанной миллионами наностолбиков (называемых металинзами), образующих оптический пинцет. (A) Поперечное сечение устройства изображает плоские волны света, которые фокусируются через вторичные волны, генерируемые наностолбами разного размера. (B) Та же металинза используется для захвата и изображения отдельных атомов рубидия. Предоставлено: Шон Келли/NIST.

Общеизвестно, что атомы трудно контролировать. Они летают зигзагами, как светлячки, выползают из самых прочных контейнеров и дрожат даже при температурах, близких к абсолютному нулю.

Тем не менее ученым необходимо улавливать и манипулировать отдельными атомами, чтобы квантовые устройства, такие как атомные часы или квантовые компьютеры, работали должным образом. Если отдельные атомы можно собрать и контролировать в больших массивах, они могут служить квантовыми битами или кубитами — крошечными дискретными единицами информации, состояние или ориентация которых в конечном итоге могут использоваться для выполнения вычислений со скоростью, намного превышающей скорость самого быстрого суперкомпьютера.

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) вместе с сотрудниками из JILA — совместного института Университета Колорадо и NIST в Боулдере — впервые продемонстрировали, что они могут улавливать отдельные атомы, используя новую миниатюрную версию «оптический пинцет» — система, которая захватывает атомы, используя лазерный луч как палочки для еды.

Обычно оптические пинцеты, получившие Нобелевскую премию по физике в 2018 году, имеют громоздкие линзы сантиметрового размера или объективы микроскопа вне вакуума, удерживающие отдельные атомы. NIST и JILA ранее с большим успехом использовали эту технику для создания атомных часов.

В новом дизайне вместо типичных линз команда NIST использовала нетрадиционную оптику — квадратную стеклянную пластину длиной около 4 миллиметров, на которой запечатлены миллионы столбиков высотой всего в несколько сотен нанометров (миллиардных долей метра), которые в совокупности действуют как крошечные линзы. Эти отпечатанные поверхности, называемые метаповерхностями, фокусируют лазерный свет , чтобы улавливать, манипулировать и отображать отдельные атомы в паре. Метаповерхности могут работать в вакууме, где находится облако захваченных атомов, в отличие от обычных оптических пинцетов.

Процесс включает несколько этапов. Во-первых, падающий свет, имеющий особенно простую форму, известную как плоская волна, поражает группы крошечных наностолбиков. (Плоские волны подобны движущимся параллельным слоям света с однородным волновым фронтом или фазой, колебания которых остаются синхронизированными друг с другом и не расходятся и не сходятся во время движения.) Группы наностолбиков превращают плоские волны в серию маленьких волн. вейвлеты, каждый из которых немного не синхронизирован со своим соседом. В результате соседние вейвлеты достигают своего пика в несколько разное время.

Эти вейвлеты объединяются или «мешают» друг другу, заставляя их фокусировать всю свою энергию в определенном месте — месте атома, который должен быть захвачен.

В зависимости от угла, под которым входящие плоские световые волны падают на наностолбики, вейвлеты фокусируются в немного разных местах , что позволяет оптической системе захватывать ряд отдельных атомов, которые находятся в немного разных местах друг от друга.

По словам исследователя NIST Амита Агравала, поскольку мини-плоские линзы могут работать в вакуумной камере и не требуют движущихся частей, атомы могут быть захвачены без необходимости создавать сложную оптическую систему и манипулировать ею. Другие исследователи из NIST и JILA ранее с большим успехом использовали обычный оптический пинцет для разработки атомных часов.

В новом исследовании Агравал и двое других ученых NIST, Скотт Папп и Венци Чжу, вместе с сотрудниками из группы Синди Регал в JILA спроектировали, изготовили и протестировали метаповерхности и провели эксперименты по улавливанию отдельных атомов.

В статье, опубликованной сегодня в PRX Quantum , исследователи сообщили, что они отдельно захватили девять отдельных атомов рубидия. По словам Агравала, та же техника, расширенная за счет использования нескольких метаповерхностей или одной с большим полем зрения, должна быть в состоянии удерживать сотни отдельных атомов и может привести к обычному захвату массива атомов с использованием оптической системы масштаба чипа. .

Система удерживала атомы на месте около 10 секунд, что достаточно для изучения квантово-механических свойств частиц и использования их для хранения квантовой информации. (Квантовые эксперименты проводятся во временных масштабах от десятимиллионных до тысячных долей секунды.)

Чтобы продемонстрировать, что они захватили атомы рубидия, исследователи осветили их отдельным источником света, заставив их флуоресцировать. Затем метаповерхности сыграли вторую критическую роль. Первоначально они сформировали и сфокусировали входящий свет, захвативший атомы рубидия. Теперь метаповерхности улавливали и фокусировали флуоресцентный свет, испускаемый теми же атомами, перенаправляя флуоресцентное излучение в камеру, чтобы получить изображение атомов.

Метаповерхности могут делать больше, чем просто удерживать отдельные атомы. Фокусируя свет с высокой точностью, метаповерхности могут переводить отдельные атомы в специальные квантовые состояния, адаптированные для конкретных экспериментов по захвату атомов.

Например, поляризованный свет, направляемый крошечными линзами, может заставить вращение атома — квантовый атрибут, аналогичный вращению Земли вокруг своей оси, — указывать в определенном направлении. Эти взаимодействия между сфокусированным светом и отдельными атомами полезны для многих типов экспериментов и устройств атомного масштаба, включая будущие квантовые компьютеры.

Ссылки по теме:

• Источник: Phys.org