Le "pinzette ottiche" - sistemi che concentrano la luce per intrappolare e manipolare i singoli atomi - potrebbero aprire la strada a potenti dispositivi quantistici, ma possono essere un po' ingombranti. I ricercatori hanno ora sviluppato un design di pinzette ottiche semplificato e ridimensionato che utilizza una lente metasuperficie tempestata di milioni di minuscoli pilastri.
Date le loro piccole dimensioni, i singoli atomi sono notoriamente difficili da vedere e manipolare, ma un modo per farlo sarebbe estremamente utile.
L'invenzione del laser negli anni '60 alla fine portò alla realizzazione che la pressione dell'emissione di luce poteva essere utilizzata per intrappolare particelle, atomi e persino batteri viventi. Negli anni '80 sono apparse le pinzette ottiche, che hanno fatto guadagnare ai loro creatori il Premio Nobel per la fisica 2018.
Per quanto potenti siano questi "strumenti fatti di luce", richiedono lenti su scala centimetrica relativamente grandi e immagini di atomi con sistemi microscopici separati che non possono funzionare nel vuoto dove gli atomi sono inizialmente trattenuti e catturati.
Ma per il nuovo studio, gli scienziati del National Institute of Standards and Technology (NIST) e JILA hanno sviluppato un nuovo tipo di pinzetta ottica che risolve entrambi i problemi.
Utilizza un vetro quadrato spesso 4 mm su cui sono incisi minuscoli pilastri di silicio, ciascuno alto poche centinaia di nanometri. Questo forma una metasuperficie che mette a punto il raggio laser in entrata e lo focalizza su una nuvola di atomi nel vuoto, evidenziandone uno per la cattura.
Il sistema funziona in modo abbastanza intelligente. Il raggio laser viene prima emesso come un'onda piana, il che significa che si propaga come una serie di fogli piatti.
Quando questi fogli colpiscono la metasuperficie, i nanopillari convertono le onde luminose in "onde" più piccole che sono leggermente fuori sincronia tra loro, quindi raggiungono il picco in momenti diversi. Questa struttura fa sì che le onde interferiscano tra loro e concentrino efficacemente tutta la loro energia in un punto molto sottile - e un atomo che si trova in quel punto sarà intrappolato.
Colpendo la metasuperficie con onde piane provenienti da diverse angolazioni, le onde possono essere focalizzate in punti diversi, consentendo alle pinzette di catturare più atomi individuali contemporaneamente. A differenza dei sistemi esistenti, questo può essere fatto direttamente all'interno della camera a vuoto dove sono immagazzinati gli atomi target e non richiede parti mobili.
Nei test, il team ha dimostrato la metasuperficie catturando individualmente nove atomi di rubidio e trattenendoli ciascuno per circa 10 secondi.
I ricercatori hanno tracciato gli atomi intrappolati esponendoli a una fonte di luce separata che li ha portati a fluorescenza, dimostrando un altro vantaggio del loro nuovo sistema: la metasuperficie può, infatti, lavorare al contrario, raccogliendo la fluorescenza emessa dagli atomi e dirigendola in una camera esterna per ottenere immagini di atomi.
I ricercatori affermano che il nuovo sistema potrebbe essere ampliato con un campo visivo più ampio o più metasuperfici che lavorano all'unisono, consentendo loro di catturare e manipolare potenzialmente centinaia di atomi contemporaneamente. Questo potrebbe costituire la base della memoria di un computer quantistico, in cui i dati vengono elaborati e archiviati negli stati quantistici di ciascun atomo.
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista PRX Quantum.
2022-08-06 04:33:04
Autore: Vitalii Babkin