"Pinças ópticas" - sistemas que focam a luz para capturar e manipular átomos individuais - podem abrir caminho para poderosos dispositivos quânticos, mas podem ser um pouco difíceis de manejar. Os pesquisadores agora desenvolveram um design de pinça óptica simplificado e reduzido que usa uma lente de metasuperfície cravejada com milhões de minúsculos pilares.
Dado seu pequeno tamanho, os átomos individuais são notoriamente difíceis de ver e manipular, mas uma maneira de fazer isso seria extremamente útil.
A invenção do laser na década de 1960 acabou levando à percepção de que a pressão da emissão de luz poderia ser usada para prender partículas, átomos e até bactérias vivas. Na década de 1980, as pinças ópticas apareceram, o que rendeu aos seus criadores o Prêmio Nobel de Física de 2018.
Por mais poderosas que sejam essas “ferramentas feitas de luz”, elas exigem lentes em escala de centímetros relativamente grande e imagens de átomos com sistemas microscópicos separados que não podem operar no vácuo onde os átomos são inicialmente mantidos e capturados.
Mas para o novo estudo, cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e JILA desenvolveram um novo tipo de pinça óptica que resolve ambos os problemas.
Ele usa vidro quadrado de 4 mm de espessura que é gravado com minúsculos pilares de silício, cada um com algumas centenas de nanômetros de altura. Isso forma uma metasuperfície que ajusta o feixe de laser de entrada e o concentra em uma nuvem de átomos no vácuo, destacando um deles para captura.
O sistema funciona de uma forma bastante inteligente. O feixe de laser é emitido primeiro como uma onda plana, o que significa que se propaga como uma série de folhas planas.
Quando essas folhas atingem a metasuperfície, os nanopilares convertem as ondas de luz em "ondas" menores que estão ligeiramente fora de sincronia umas com as outras, de modo que atingem o pico em momentos diferentes. Essa estrutura faz com que as ondas interfiram umas nas outras e efetivamente concentrem toda a sua energia em um ponto muito fino - e um átomo que estiver nesse ponto ficará preso.
Ao atingir a metasuperfície com ondas planas provenientes de diferentes ângulos, as ondas podem ser focadas em diferentes pontos, permitindo que as pinças capturem vários átomos individuais ao mesmo tempo. Ao contrário dos sistemas existentes, isso pode ser feito dentro da câmara de vácuo onde os átomos alvo são armazenados e não requer nenhuma parte móvel.
Nos testes, a equipe demonstrou a metasuperfície capturando nove átomos de rubídio individualmente e segurando cada um por cerca de 10 segundos.
Os pesquisadores rastrearam os átomos presos expondo-os a uma fonte de luz separada que os fez fluorescer, demonstrando outra vantagem de seu novo sistema: a metasuperfície pode, de fato, funcionar ao contrário, coletando a fluorescência emitida pelos átomos e direcionando-a para uma câmara externa para obter imagens de átomos.
Os pesquisadores dizem que o novo sistema pode ser expandido com um campo de visão maior ou várias metasuperfícies trabalhando em uníssono, permitindo que eles potencialmente capturem e manipulem centenas de átomos de uma só vez. Isso poderia formar a base da memória de um computador quântico, onde os dados são processados e armazenados nos estados quânticos de cada átomo.
O estudo foi publicado na revista PRX Quantum.
2022-08-06 04:33:04
Autor: Vitalii Babkin