Nanooptiska fällor är en lovande byggsten för kvantteknik. Österrikiska och tyska forskare har nu tagit bort ett viktigt hinder för deras praktiska användning. De kunde visa att en speciell form av mekanisk vibration värmer upp fångade partiklar på mycket kort tid och slår ut dem ur fällan.

Genom att kontrollera enskilda atomer, kvantegenskaper kan undersökas och göras användbara för tekniska tillämpningar. I ungefär tio år, fysiker har arbetat med en teknik som kan fånga och kontrollera atomer:så kallade nanooptiska fällor.

Tekniken att fånga mikroskopiska föremål med ljus som är känd från optisk pincett tillämpas på optiska vågledare, i detta fall en speciell glasfiber. Glasfibern kanske bara är några hundra nanometer tunn, dvs ungefär 100 gånger tunnare än ett människohår. Laserljus med olika frekvenser skickas in i glasfibern, skapar ett ljusfält runt vågledaren som kan hålla enskilda atomer.

Tills nu, dock, användbarheten av denna teknik har begränsats av att atomerna har blivit väldigt varma efter mycket kort tid och går förlorade. Uppvärmningshastigheten var tre storleksordningar högre än med optisk pincett, där ljusfältet genereras i fritt utrymme. Trots ett intensivt sökande, det hade tidigare inte varit möjligt att fastställa orsaken.

Nu, Daniel Hümmer och Oriol Romero-Isart från Institutet för kvantoptik och kvantinformation vid Österrikes vetenskapsakademi och institutionen för teoretisk fysik vid universitetet i Innsbruck i samarbete med Philipp Schneeweiss och Arno Rauschenbeutel från Humboldt-universitetet i Berlin har noggrant analyserat systemet. Med sin teoretiska modell, de kunde visa att en viss form av mekanisk vibration av glasfibern är ansvarig för den starka uppvärmningen av partiklarna.

Detta rapporterar fysikerna i tidskriften Fysisk granskning X ("Uppvärmning i nanofotoniska fällor för kalla atomer").

Mekaniska vibrationer

"Det här är vibrationerna som uppstår när du låter vågor färdas längs ett rep, " förklarar Daniel Hümmer. "Partiklarna, som flyter bara cirka 200 nanometer över vågledarens yta, värms upp väldigt snabbt på grund av dessa vibrationer."

Den uppvärmningshastighet som nu är teoretiskt bestämd stämmer mycket väl överens med experimentresultaten. Detta fynd har viktiga konsekvenser för applikationer:Å ena sidan, tekniken kan förbättras avsevärt med enkla motåtgärder. Längre koherenstider tillåter då mer komplexa experiment och tillämpningar. Å andra sidan, fysikerna misstänker att deras fynd också kan vara till hjälp för många liknande nanofotoniska fällor. Den teoretiska modellen som de nu har publicerat ger viktiga riktlinjer för utformningen av sådana atomfällor.

"När man tillverkar dessa fällor, inte bara de optiska egenskaperna måste beaktas, men också de mekaniska egenskaperna, " betonar Oriol Romero-Isart. "Våra beräkningar här ger viktiga indikationer på vilka mekaniska effekter som är mest relevanta."

Eftersom styrkan i interaktionen mellan individuella atomer och fotoner är särskilt hög i nanooptiska fällor - ett problem som många andra koncept kämpar med - öppnar denna teknik dörren till ett nytt fysikfält. Många teoretiska överväganden har redan gjorts de senaste åren. Fysikerna från Österrike och Tyskland har nu röjt bort ett stort hinder på vägen dit.