「光ピンセット」 - 光を集束させて個々の原子を捕捉して操作するシステム - は、強力な量子デバイスへの道を開く可能性がありますが、少し扱いにくい場合があります.研究者は現在、何百万もの小さな柱がちりばめられたメタサーフェス レンズを使用する、簡素化されたスケールダウンされた光ピンセット設計を開発しました。
個々の原子はサイズが小さいため、見ることも操作することも難しいことで知られていますが、それを行う方法があれば非常に便利です。
1960 年代にレーザーが発明されたことで、最終的には、光を放出する圧力を利用して、粒子、原子、さらには生きているバクテリアを捕捉できることが明らかになりました。 1980 年代までに、光ピンセットが登場し、その作成者は 2018 年のノーベル物理学賞を受賞しました。
これらの「光で作られたツール」は強力ですが、比較的大きなセンチメートルスケールのレンズと、原子が最初に保持および捕捉される真空中では機能しない別の顕微鏡システムによる原子のイメージングが必要です。
しかし、新しい研究のために、国立標準技術研究所 (NIST) と JILA の科学者は、両方の問題を解決する新しいタイプの光ピンセットを開発しました。
厚さ 4mm の正方形のガラスに、それぞれ数百ナノメートルの高さのシリコンの小さな柱が刻まれています。これにより、入射レーザービームを微調整し、真空中の原子雲に焦点を合わせ、そのうちの1つを強調してキャプチャするメタサーフェスが形成されます。
システムは非常にスマートな方法で動作します。レーザービームは最初に平面波として放出されます。つまり、一連の平らなシートとして伝播します。
これらのシートがメタサーフェスに当たると、ナノピラーが光波をより小さな「波」に変換します。これらの波は互いにわずかに同期していないため、異なる時間でピークに達します。この構造により、波が互いに干渉し、すべてのエネルギーを非常に薄い点に効果的に集中させます。その点にたまたまある原子が閉じ込められます。
さまざまな角度から来る平面波をメタサーフェスに当てることで、波をさまざまなポイントに集中させることができ、ピンセットで複数の個々の原子を同時に捕捉できます。既存のシステムとは異なり、これはターゲット原子が格納されている真空チャンバー内で行うことができ、可動部品を必要としません。
テストでは、チームは 9 個のルビジウム原子を個別に捕捉し、それぞれを約 10 秒間保持することにより、メタサーフェスを実証しました。
研究者は、トラップされた原子を蛍光を発する別の光源にさらすことで追跡し、新しいシステムの別の利点を実証しました。実際、メタサーフェスは逆に機能し、原子によって放出された蛍光を収集し、それを原子の画像を取得するための外部チャンバー。
研究者たちは、この新しいシステムは、視野を広げたり、複数のメタサーフェスを連携させたりして拡張できる可能性があり、一度に数百の原子を捕捉して操作できる可能性があると述べています。これは、データが処理され、各原子の量子状態で保存される量子コンピューターのメモリの基礎を形成する可能性があります。
この研究は、ジャーナル PRX Quantum に掲載されました。
2022-08-06 04:33:04
著者: Vitalii Babkin