Het vangen van enkele atomen is een beetje zoals katten hoeden, wat onderzoekers van de University of Colorado Boulder tot expert kattenwranglers maakt.

In een nieuwe studie, een team onder leiding van natuurkundige Cindy Regal toonde aan dat het groepen individuele atomen in grote rasters kon organiseren met een efficiëntie die ongeëvenaard is door bestaande methoden.

Eenzame atomen zijn een potentiële bouwsteen voor het benutten van kwantumfysica. Als onderzoekers deze kleine stukjes materie kunnen vastleggen en beheersen met lasers, ze kunnen nieuwe soorten materialen creëren die zich op vreemde manieren gedragen. Ze kunnen ook leiden tot kwantumcomputers die op een dag de traditionele rekenmachines kunnen vervangen.

Dat is een grote 'als, ', zeggen onderzoekers. Zoals die katten, neutrale atomen, of atomen zonder lading, zijn niet gemakkelijk te temmen:ze suizen rond, botsen tegen elkaar en zitten nooit lang stil.

Dat is waar Regal en haar collega's om de hoek komen kijken. In recent gepubliceerd onderzoek in Fysieke beoordeling X , de wetenschappers meldden dat ze single gevangen hadden, neutrale rubidium-atomen met een waarschijnlijkheid van 90 procent, met behulp van kleine laserstralen, ook wel "optisch pincet" genoemd.

Het nieuwe onderzoek is een stap voorwaarts om de glibberige dynamiek van atomen onder de knie te krijgen, zei Regal, een universitair hoofddocent in JILA en de afdeling Natuurkunde aan de CU Boulder.

"Bits in een kwantumcomputer zullen noodzakelijkerwijs kleine dingen zijn, "zei ze. "En elk klein ding presenteert zijn eigen uitdagingen voor ruzie."

Het is een benadering waar veel onderzoekers hun voordeel mee kunnen doen, zei Mark Brown, een van de twee hoofdauteurs van het nieuwe artikel.

"Iedereen in ons vakgebied moet atomen laden, " zei Bruin, een afgestudeerde student natuurkunde. "Dus als je een betere techniek hebt om atomen te vangen, dan kunnen veel mensen hier gebruik van maken."

De kansen verbeteren

Daten, wetenschappers hebben zich tot een aantal technieken gewend om hun atomen te laden, inclusief het gebruik van een optisch pincet. In die techniek, onderzoekers kruisen eerst een reeks laserstralen om zwevende atomen te vangen en af ​​te koelen.

Dan is het tijd om te wannen. Door de energie van hun lasers zorgvuldig aan te passen, wetenschappers hebben ontdekt dat ze het gedrag van hun atomen kunnen veranderen, waardoor ze tegen elkaar botsen. Zoals straatkatten slopen, die botsingen slaan atomen in paren van twee uit de val.

Eventueel, je hebt er nog maar één over, overlevende atoom. Of ten minste, dat gebeurt ongeveer de helft van de tijd, zei Bruin.

"Als je alle paren atomen eruit gooit, dan heb je ofwel één atoom of nul atomen, " hij zei.

Zijn groep wilde het beter doen dan een slagingspercentage van 50 procent. Ze begonnen met het gebruik van lasers met een iets andere kleur dan die van atoomvangers.

Onder deze nieuwe verlichting, de rubidium-atomen botsten niet meer, maar in plaats daarvan stootten ze elkaar af, zoals het samendrukken van dezelfde polen van twee magneten, zei Tobias Thiele, de andere hoofdauteur van de nieuwe studie.

"Je kunt er nu voor zorgen dat een van de atomen in de val blijft en de andere heel ver weg gaat, " zei Thiele, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van Regal. "Je eindigt ongeveer negen van de tien keer met slechts één atoom in de val."

Georganiseerd worden

Met dat niveau van controle, konden de onderzoekers niet alleen veel meer atomen isoleren, maar efficiënter organiseren. In de nieuwe studie ze meldden dat ze deze atomen in een fractie van de tijd van de huidige gereedschappen tot perfecte zes-bij-zes-rasters konden assembleren.

De onderzoekers, waaronder ook afgestudeerde studenten Chris Kiehl en Ting-Wei Hsu, zijn nu bezig om dat aantal te verhogen, gaande van 36 ingesloten atomen tot honderden of zelfs duizenden.

En dat is wanneer het plezier begint. Zodra onderzoekers deze twee- of zelfs driedimensionale roosters kunnen behouden, ze kunnen selectief individuele atomen vertellen om zich te verbinden met een buur via een proces dat kwantumverstrengeling wordt genoemd. Een dergelijke verstrengeling, waarin het ene atoom fundamenteel met het andere is verbonden, is de basis voor kwantumcomputers, zei Thiele.

"Het leuke van dit systeem is dat je de interacties alleen kunt in- en uitschakelen wanneer je dat wilt, " hij zei.

Wat zorgt voor een aantal goed opgevoede katten.