„Optische Pinzetten“ – Systeme, die Licht fokussieren, um einzelne Atome einzufangen und zu manipulieren – könnten den Weg für leistungsstarke Quantengeräte ebnen, aber sie können etwas unhandlich sein. Forscher haben jetzt ein vereinfachtes, verkleinertes optisches Pinzettendesign entwickelt, das eine Metaoberflächenlinse verwendet, die mit Millionen winziger Säulen besetzt ist.
Aufgrund ihrer winzigen Größe sind einzelne Atome notorisch schwer zu sehen und zu manipulieren, aber eine Möglichkeit, dies zu tun, wäre äußerst nützlich.
Die Erfindung des Lasers in den 1960er Jahren führte schließlich zu der Erkenntnis, dass der Druck der Lichtemission genutzt werden kann, um Partikel, Atome und sogar lebende Bakterien einzufangen. In den 1980er Jahren tauchten optische Pinzetten auf, die ihren Schöpfern 2018 den Nobelpreis für Physik einbrachten.
So leistungsfähig diese „Werkzeuge aus Licht“ auch sind, sie erfordern relativ große Linsen im Zentimetermaßstab und die Abbildung von Atomen mit separaten mikroskopischen Systemen, die nicht in einem Vakuum arbeiten können, in dem Atome zunächst gehalten und eingefangen werden.
Aber für die neue Studie haben Wissenschaftler des National Institute of Standards and Technology (NIST) und JILA eine neue Art von optischer Pinzette entwickelt, die beide Probleme löst.
Es verwendet 4 mm dickes quadratisches Glas, in das winzige Siliziumsäulen eingraviert sind, die jeweils einige hundert Nanometer hoch sind. Dies bildet eine Metaoberfläche, die den einfallenden Laserstrahl feinabstimmt und ihn auf eine Wolke von Atomen in einem Vakuum fokussiert, wobei eines von ihnen zum Einfangen hervorgehoben wird.
Das System funktioniert auf ziemlich intelligente Weise. Der Laserstrahl wird zunächst als ebene Welle emittiert, was bedeutet, dass er sich als eine Reihe flacher Schichten ausbreitet.
Wenn diese Schichten auf die Metaoberfläche treffen, wandeln die Nanosäulen die Lichtwellen in kleinere „Wellen“ um, die leicht asynchron zueinander sind, sodass sie zu unterschiedlichen Zeiten ihren Höhepunkt erreichen. Diese Struktur bewirkt, dass die Wellen miteinander interferieren und effektiv ihre gesamte Energie auf einen sehr dünnen Punkt fokussieren – und ein Atom, das sich zufällig an diesem Punkt befindet, wird eingefangen.
Indem ebene Wellen aus verschiedenen Winkeln auf die Metaoberfläche treffen, können die Wellen auf verschiedene Punkte fokussiert werden, sodass die Pinzette mehrere einzelne Atome gleichzeitig erfassen kann. Im Gegensatz zu bestehenden Systemen kann dies direkt in der Vakuumkammer erfolgen, in der die Zielatome gelagert werden, und erfordert keine beweglichen Teile.
In Tests demonstrierte das Team die Metaoberfläche, indem es neun Rubidiumatome einzeln einfing und jedes etwa 10 Sekunden lang hielt.
Die Forscher verfolgten die gefangenen Atome, indem sie sie einer separaten Lichtquelle aussetzten, die sie zum Fluoreszieren brachte, was einen weiteren Vorteil ihres neuen Systems demonstrierte: Die Metaoberfläche kann tatsächlich umgekehrt arbeiten, indem sie die von den Atomen emittierte Fluoreszenz sammelt und hineinleitet eine externe Kammer zum Erhalten von Bildern von Atomen.
Die Forscher sagen, dass das neue System um ein größeres Sichtfeld oder mehrere Metaoberflächen erweitert werden könnte, die im Einklang arbeiten, sodass sie möglicherweise Hunderte von Atomen gleichzeitig erfassen und manipulieren können. Dies könnte die Grundlage des Speichers eines Quantencomputers bilden, in dem Daten verarbeitet und in den Quantenzuständen jedes Atoms gespeichert werden.
Die Studie wurde im Fachjournal PRX Quantum veröffentlicht.
2022-08-06 04:33:04
Autor: Vitalii Babkin