Atomen zijn notoir moeilijk te controleren. Ze zigzaggen als vuurvliegjes, tunnelen uit de sterkste containers en trillen zelfs bij temperaturen rond het absolute nulpunt.

Desalniettemin moeten wetenschappers afzonderlijke atomen vangen en manipuleren om kwantumapparaten, zoals atoomklokken of kwantumcomputers, goed te laten werken. Als individuele atomen kunnen worden bijeengedreven en bestuurd in grote arrays, kunnen ze dienen als kwantumbits of qubits - kleine discrete informatie-eenheden waarvan de toestand of oriëntatie uiteindelijk kan worden gebruikt om berekeningen uit te voeren met snelheden die veel hoger zijn dan de snelste supercomputer.

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben samen met medewerkers van JILA - een gezamenlijk instituut van de Universiteit van Colorado en NIST in Boulder - voor het eerst aangetoond dat ze afzonderlijke atomen kunnen vangen met behulp van een nieuwe geminiaturiseerde versie van "optisch pincet" - een systeem dat atomen grijpt met een laserstraal als eetstokjes.

Gewoonlijk hebben optische pincetten, die in 2018 de Nobelprijs voor de natuurkunde wonnen, omvangrijke lenzen van centimeters of microscoopobjectieven buiten het vacuüm met individuele atomen. NIST en JILA hebben de techniek eerder met groot succes gebruikt om een ​​atoomklok te maken.

In het nieuwe ontwerp gebruikte het NIST-team in plaats van typische lenzen onconventionele optica:een vierkante glazen wafel van ongeveer 4 millimeter lang bedrukt met miljoenen pilaren van slechts enkele honderden nanometers (miljardsten van een meter) hoog die samen fungeren als kleine lenzen. Deze bedrukte oppervlakken, meta-oppervlakken genoemd, focussen laserlicht om individuele atomen in een damp te vangen, te manipuleren en af ​​te beelden. De meta-oppervlakken kunnen werken in het vacuüm waar de wolk van ingesloten atomen zich bevindt, in tegenstelling tot gewone optische pincetten.

Het proces omvat verschillende stappen. Ten eerste valt invallend licht met een bijzonder eenvoudige vorm, bekend als een vlakke golf, groepen van de kleine nanopilaren. (Vlakke golven zijn als bewegende evenwijdige lichtbundels met een uniform golffront of fase, waarvan de oscillaties synchroon met elkaar blijven en niet divergeren of convergeren terwijl ze reizen.) De groeperingen van nanopilaren transformeren de vlakke golven in een reeks van kleine wavelets, die elk enigszins niet synchroon lopen met hun buur. Als gevolg hiervan bereiken aangrenzende golfjes hun piek op enigszins verschillende tijdstippen.

Deze golfjes combineren of "interfereren" met elkaar, waardoor ze al hun energie concentreren op een specifieke positie - de locatie van het atoom dat moet worden opgesloten.

Afhankelijk van de hoek waaronder de binnenkomende vlakke lichtgolven de nanopilaren raken, worden de golfjes op enigszins verschillende plaatsen gefocust, waardoor het optische systeem een ​​reeks individuele atomen kan vangen die zich op enigszins verschillende locaties van elkaar bevinden.

Omdat de mini-flatlenzen in een vacuümkamer kunnen worden bediend en geen bewegende delen nodig hebben, kunnen de atomen worden opgesloten zonder een complex optisch systeem te hoeven bouwen en manipuleren, zei NIST-onderzoeker Amit Agrawal. Andere onderzoekers van NIST en JILA hebben eerder met groot succes conventionele optische pincetten gebruikt om atoomklokken te ontwerpen.

In de nieuwe studie ontwierpen, fabriceerden en testten Agrawal en twee andere NIST-wetenschappers, Scott Papp en Wenqi Zhu, samen met medewerkers van de groep van Cindy Regal bij JILA, de meta-oppervlakken en voerden ze single-atom trapping-experimenten uit.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in PRX Quantum , rapporteerden de onderzoekers dat ze afzonderlijk negen enkele rubidium-atomen hadden gevangen. Dezelfde techniek, opgeschaald door meerdere meta-oppervlakken of een met een groot gezichtsveld te gebruiken, zou honderden afzonderlijke atomen moeten kunnen opsluiten, zei Agrawal, en zou de weg kunnen banen om routinematig een reeks atomen te vangen met behulp van een optisch systeem op chipschaal .

Het systeem hield de atomen ongeveer 10 seconden op hun plaats, wat lang genoeg is om de kwantummechanische eigenschappen van de deeltjes te bestuderen en ze te gebruiken om kwantuminformatie op te slaan. (Kwantumexperimenten werken op tijdschalen van tien miljoenste tot duizendste van een seconde.)

Om aan te tonen dat ze de rubidiumatomen vingen, belichtten de onderzoekers ze met een aparte lichtbron, waardoor ze fluoresceerden. De meta-oppervlakken speelden toen een tweede cruciale rol. Aanvankelijk hadden ze het binnenkomende licht gevormd en gefocusseerd dat de rubidium-atomen opsloot. Nu hebben de meta-oppervlakken het fluorescerende licht opgevangen en gefocusseerd dat door deze zelfde atomen wordt uitgezonden, en de fluorescerende straling omgeleid naar een camera om de atomen in beeld te brengen.

De meta-oppervlakken kunnen meer dan alleen afzonderlijke atomen opsluiten. Door licht met uiterste nauwkeurigheid te focussen, kunnen de meta-oppervlakken individuele atomen in speciale kwantumtoestanden brengen, op maat gemaakt voor specifieke atom-trapping-experimenten.

Gepolariseerd licht dat door de kleine lenzen wordt gestuurd, kan er bijvoorbeeld voor zorgen dat de spin van een atoom - een kwantumattribuut analoog aan de aarde die om zijn as draait - in een bepaalde richting wijst. Deze interacties tussen gefocust licht en enkele atomen zijn nuttig voor vele soorten experimenten en apparaten op atoomschaal, waaronder toekomstige kwantumcomputers. + Verder verkennen

Aangepaste magneto-optische val zorgt voor afkoeling van indiumatomen tot bijna het absolute nulpunt

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.