En ny metod utvecklad vid universitetet i Bonn förenklar ultraprecis justering för kvantoptikexperiment.

En ljusstråle kan bara ses när den träffar materiepartiklar och sprids eller reflekteras av dem. I ett vakuum, dock, det är osynligt. Fysiker vid universitetet i Bonn har nu utvecklat en metod som gör att laserstrålar kan visualiseras även under dessa förhållanden. Metoden gör det lättare att utföra den ultraexakta laserinriktningen som krävs för att manipulera enskilda atomer. Forskarna har nu presenterat sin metod i tidskriften Fysisk granskning tillämpad .

När enskilda atomer interagerar med varandra, de uppvisar ofta ovanligt beteende på grund av sitt kvantbeteende. Dessa effekter kan, till exempel, användas för att konstruera så kallade kvantdatorer, som kan lösa vissa problem som konventionella datorer brottas med. För sådana experiment, dock, det är nödvändigt att manövrera enskilda atomer till exakt rätt position. "Vi gör detta med hjälp av laserstrålar som fungerar som transportband av ljus, så att säga, " förklarar Dr Andrea Alberti, som ledde studien vid Institutet för tillämpad fysik vid universitetet i Bonn.

Ett sådant transportband av ljus innehåller otaliga fickor, som var och en kan hålla en enda atom. Dessa fickor kan flyttas fram och tillbaka efter behag, tillåter en atom att transporteras till en specifik plats i rymden. Om du vill flytta atomerna i olika riktningar, du behöver vanligtvis många av dessa transportband. När fler atomer transporteras till samma plats, de kan interagera med varandra. För att denna process ska kunna ske under kontrollerade förhållanden, alla fickor på transportbandet måste ha samma form och djup. "För att säkerställa denna homogenitet, lasrarna måste överlappa med mikrometerprecision, " förklarar Gautam Ramola, studiens huvudförfattare.

En böna på en fotbollsstadion

Denna uppgift är mindre trivial än den låter. För en sak, det kräver stor noggrannhet. "Det är ungefär som att behöva rikta en laserpekare från läktaren på en fotbollsstadion för att träffa en böna som är på avsparksplatsen, " Alberti förtydligar. "Men det är inte allt - du måste faktiskt göra det med ögonbindel." Detta beror på att kvantexperiment äger rum i ett nästan perfekt vakuum, där laserstrålarna är osynliga.

Forskarna i Bonn använde därför själva atomerna för att mäta utbredningen av laserstrålar. "Att göra detta, vi ändrade först laserljuset på ett karakteristiskt sätt - vi kallar det också elliptisk polarisation, " förklarar Alberti. När atomerna belyses av en laserstråle som förbereds på detta sätt, de reagerar på att ändra sitt tillstånd på ett karakteristiskt sätt. Dessa förändringar kan mätas med mycket hög precision.

"Varje atom fungerar som en liten sensor som registrerar strålens intensitet, " Fortsätter Alberti. "Genom att undersöka tusentals atomer på olika platser, vi kan bestämma strålens placering inom några tusendels millimeter."

På det här sättet, forskarna lyckades, till exempel, genom att justera fyra laserstrålar så att de skär varandra i exakt önskad position. "En sådan justering skulle normalt ta flera veckor, och du skulle fortfarande inte ha någon garanti för att det optimala hade uppnåtts, " säger Alberti. "Med vår process, vi behövde bara en dag för att göra det här."