Nano-optische vallen zijn een veelbelovende bouwsteen voor kwantumtechnologieën. Oostenrijkse en Duitse wetenschappers hebben nu een belangrijk obstakel voor praktisch gebruik weggenomen. Ze konden aantonen dat een speciale vorm van mechanische vibratie ingesloten deeltjes in zeer korte tijd verwarmt en uit de val slaat.

Door individuele atomen te controleren, kwantumeigenschappen kunnen worden onderzocht en bruikbaar gemaakt voor technologische toepassingen. Ongeveer tien jaar lang, natuurkundigen hebben gewerkt aan een technologie die atomen kan vangen en besturen:zogenaamde nano-optische vallen.

De techniek van het vastleggen van microscopische objecten met licht, bekend van optische pincetten, wordt toegepast op optische golfgeleiders, in dit geval een speciale glasvezel. De glasvezel mag dan maar een paar honderd nanometer dun zijn, d.w.z. ongeveer 100 keer dunner dan een mensenhaar. Laserlicht van verschillende frequenties wordt in de glasvezel gestuurd, het creëren van een lichtveld rond de golfgeleider dat individuele atomen kan bevatten.

Tot nu toe, echter, de toepasbaarheid van deze technologie is beperkt doordat de atomen na zeer korte tijd erg heet zijn geworden en verloren gaan. De verwarmingssnelheid was drie ordes van grootte hoger dan bij optische pincetten, waar het lichtveld wordt gegenereerd in de vrije ruimte. Ondanks een intensieve zoektocht, het was voorheen niet mogelijk geweest de oorzaak vast te stellen.

Nutsvoorzieningen, Daniel Hümmer en Oriol Romero-Isart van het Institute of Quantum Optics and Quantum Information van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen en de afdeling Theoretische Fysica van de Universiteit van Innsbruck in samenwerking met Philipp Schneeweiss en Arno Rauschenbeutel van de Humboldt Universiteit van Berlijn hebben zorgvuldig geanalyseerd het systeem. Met hun theoretisch model ze konden aantonen dat een bepaalde vorm van mechanische trilling van de glasvezel verantwoordelijk is voor de sterke verhitting van de deeltjes.

Dit melden de natuurkundigen in het tijdschrift Fysieke beoordeling X ("Verwarming in nanofotonische vallen voor koude atomen").

Mechanische trillingen

"Dit zijn de trillingen die ontstaan ​​als je golven langs een touw laat reizen, " legt Daniel Hümmer uit. "De deeltjes, die slechts ongeveer 200 nanometer boven het oppervlak van de golfgeleider zweven, door deze trillingen erg snel opwarmen."

De opwarmsnelheid die nu theoretisch is bepaald komt goed overeen met de experimentele resultaten. Deze bevinding heeft belangrijke consequenties voor toepassingen:enerzijds de technologie kan aanzienlijk worden verbeterd met eenvoudige tegenmaatregelen. Langere coherentietijden maken dan complexere experimenten en toepassingen mogelijk. Anderzijds, de natuurkundigen vermoeden dat hun bevindingen ook nuttig kunnen zijn voor veel vergelijkbare nanofotonische vallen. Het theoretische model dat ze nu hebben gepubliceerd, biedt essentiële richtlijnen voor het ontwerp van dergelijke atomaire vallen.

"Bij het vervaardigen van deze vallen, er moet niet alleen rekening worden gehouden met de optische eigenschappen, maar ook de mechanische eigenschappen, " benadrukt Oriol Romero-Isart. "Onze berekeningen hier geven belangrijke aanwijzingen over welke mechanische effecten het meest relevant zijn."

Aangezien de kracht van de interactie tussen individuele atomen en fotonen bijzonder hoog is in nano-optische vallen - een probleem waarmee veel andere concepten worstelen - opent deze technologie de deur naar een nieuw veld van de fysica. Er zijn de afgelopen jaren al veel theoretische afwegingen gemaakt. De natuurkundigen uit Oostenrijk en Duitsland hebben nu een groot obstakel op de weg daarheen geruimd.