Можно ли ловить атомы? У ученых есть ответ

Физики разработали новый оптический пинцет которые впервые захватывают отдельные атомы.

Нет сомнения, что атомы трудно контролировать. Однако ученые должны улавливать и манипулировать отдельными атомами, чтобы управлять квантовыми устройствами, такими как квантовые компьютеры и часы.

Но атомы не любят подыгрывать. Они любят свою свободу. В результате с атомами трудно обращаться, они могут вырваться из самых прочных контейнеров и дрожать даже при температурах, близких к абсолютному нулю. По сути, они довольно мятежные, что многое объясняет, поскольку люди тоже, а атмосфера составляет все.

По данным Северо-Западного университета, атомы являются строительными блоками Вселенной, за исключением энергии. В прошлом считалось, что атомы — это мельчайшие объекты во Вселенной, которые невозможно разделить. Термин «атом» происходит от греческого слова «неделимый». Как мы теперь знаем, атомы состоят из трех субатомных частиц: протонов, нейтронов и электронов, каждая из которых содержит еще более мелкие частицы, называемые кварками.

Возможность объединять и контролировать отдельные атомы в больших массивах может позволить нам использовать их как квантовые биты — крошечные дискретные единицы информации, которые в конечном итоге можно будет использовать для выполнения вычислений быстрее, чем самые быстрые суперкомпьютеры.

Таким образом, контроль над нервными атомами — это то, чего должны достичь ученые.

Исследователи из NIST и JILA — совместного института Университета Колорадо и NIST в Боулдере — продемонстрировали, что атомы можно улавливать с помощью новой миниатюрной версии оптического пинцета — системы, которая захватывает атомы лазерными лучами как палочками для еды. .

Общая черта оптический пинцет который получил Нобелевская премия по физике в 2018 г.— это большие линзы сантиметрового размера или объективы микроскопа, которые отделяют отдельные атомы от удерживающего их вакуума.

NIST и JILA ранее использовали эту технику с замечательным успехом.

Команда NIST использовала нетрадиционную оптику вместо линз — квадратную стеклянную пластину с миллионами столбиков высотой всего в несколько сотен нанометров, которые в совокупности функционируют как крошечные линзы. Используя эти метаповерхности, лазерный свет фокусируется в паре, что позволяет улавливать отдельные атомы, управлять ими и отображать их.

В отличие от обычного оптического пинцета метаповерхности могут работать в вакууме, где находятся захваченные атомы.

В процесс вовлечено несколько шагов. Первоначально плоские световые волны ударяются о группы наностолбиков, имеющих особенно простую форму.

По сути, плоские волны ведут себя как ряд параллельных слоев света с однородным волновым фронтом или фазой.

Их колебания остаются синхронизированными во время движения и не расходятся и не сходятся. Однако в присутствии наностолбиков плоские волны превращаются в вейвлеты, каждый из которых немного не синхронизирован с другим. В результате соседние вейвлеты достигают своих пиков немного в разное время.

Поскольку эти вейвлеты комбинируются или интерферируют друг с другом, вся их энергия концентрируется в одной точке — положении захваченного атома.

Ряд независимых атомов может быть захвачен в зависимости от угла, под которым плоские волны света падают на наностолбики. Это позволяет оптической системе захватывать атомы, расположенные в немного разных местах в наностолбиках.

По словам исследователя NIST Амита Агравала, плоские мини-линзы позволяют улавливать атомы без необходимости создавать сложную оптическую систему и манипулировать ею, поскольку они работают в вакуумной камере и не используют движущихся частей. Обычные оптические пинцеты ранее использовались для разработки атомных часов другими исследователями из NIST и JILA.

В новой статье описывается процесс, связанный с проектированием, изготовлением и тестированием метаповерхностей и проведением экспериментов по захвату отдельных атомов.

Исследователи сообщили в PRX Quantum, что они захватили девять отдельных атомов рубидия в отдельные контейнеры. Сотни отдельных атомов можно было бы удержать, расширив масштабы метода и используя несколько метаповерхностей или оптическую систему с большим полем зрения. Это может проложить путь к обычному захвату массива атомов.

Около 10 секунд атомы удерживались на месте, что позволяло проверить их квантово-механические свойства и сохранить в них квантовую информацию.

Используя отдельный источник света, исследователи осветили атомы рубидия, чтобы продемонстрировать, что они их захватили. Кроме того, метаповерхности играли решающую роль в этом процессе. Их начальным шагом было формирование и фокусировка на падающем свете, который улавливал атомы рубидия. Затем флуоресцентный свет, излучаемый теми же атомами, улавливается и фокусируется с помощью этих метаповерхностей. Напротив, флуоресцентное излучение перенаправляется в камеру.

Метаповерхность может содержать не только отдельные атомы. Метаповерхности способны переводить отдельные атомы в особые квантовые состояния, фокусируя свет с предельной точностью.

Через эти крошечные линзы можно направлять поляризованный свет, чтобы заставить вращение атома указывать в ту или иную сторону. Взаимодействие между сфокусированным светом и отдельными атомами полезно для самых разных экспериментов и устройств на атомном уровне, включая квантовые компьютеры в будущем.