Atomer är notoriskt svåra att kontrollera. De sicksackar som eldflugor, tunnlar ut ur de starkaste behållarna och skakar även vid temperaturer nära absolut noll.

Ändå måste forskare fånga och manipulera enskilda atomer för att kvantenheter, såsom atomklockor eller kvantdatorer, ska fungera korrekt. Om enskilda atomer kan korraleras och kontrolleras i stora arrayer, kan de fungera som kvantbitar, eller qubits – små diskreta informationsenheter vars tillstånd eller orientering så småningom kan användas för att utföra beräkningar med hastigheter som är mycket högre än den snabbaste superdatorn.

Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST), tillsammans med medarbetare från JILA – ett gemensamt institut för University of Colorado och NIST i Boulder – har för första gången visat att de kan fånga enstaka atomer med hjälp av en ny miniatyriserad version av "optisk pincett" – ett system som griper tag i atomer med hjälp av en laserstråle som ätpinnar.

Vanligtvis har en optisk pincett, som fick 2018 års Nobelpris i fysik, skrymmande centimeterstora linser eller mikroskopobjektiv utanför vakuumet som håller enskilda atomer. NIST och JILA har tidigare använt tekniken med stor framgång för att skapa ett atomur.

I den nya designen, istället för typiska linser, använde NIST-teamet okonventionell optik - en fyrkantig glasskiva med en längd på cirka 4 millimeter präglad med miljontals pelare på bara några hundra nanometer (miljarddelar av en meter) på höjden som tillsammans fungerar som små linser. Dessa präglade ytor, dubbade metasytor, fokuserar laserljus för att fånga, manipulera och avbilda enskilda atomer i en ånga. Metaytorna kan fungera i vakuumet där molnet av fångade atomer finns, till skillnad från en vanlig optisk pincett.

Processen omfattar flera steg. För det första träffar inkommande ljus som har en särskilt enkel form, känd som en plan våg, grupper av de små nanopelarna. (Planvågor är som rörliga parallella ljusskivor som har en enhetlig vågfront, eller fas, vars svängningar förblir synkroniserade med varandra och varken divergerar eller konvergerar när de färdas.) Grupperingarna av nanopelare förvandlar de plana vågorna till en serie små vågor. wavelets, som var och en är något osynkroniserade med sin granne. Som ett resultat når intilliggande vågor sin topp vid något olika tidpunkter.

Dessa vågor kombinerar eller "stör" med varandra, vilket får dem att fokusera all sin energi på en specifik position - platsen för atomen som ska fångas.

Beroende på vinkeln med vilken de inkommande plana ljusvågorna träffar nanopelarna, fokuseras vågorna på lite olika platser, vilket gör det möjligt för det optiska systemet att fånga en serie individuella atomer som finns på något olika platser från varandra.

Eftersom miniflatlinserna kan användas i en vakuumkammare och inte kräver några rörliga delar, kan atomerna fångas utan att behöva bygga och manipulera ett komplext optiskt system, säger NIST-forskaren Amit Agrawal. Andra forskare vid NIST och JILA har tidigare använt en konventionell optisk pincett med stor framgång för att designa atomur.

I den nya studien designade, tillverkade och testade Agrawal och två andra NIST-forskare, Scott Papp och Wenqi Zhu, tillsammans med medarbetare från Cindy Regals grupp vid JILA, metasytorna och utförde enatomsfångningsexperiment.

I en tidning publicerad idag i PRX Quantum , rapporterade forskarna att de separat hade fångat nio enstaka rubidiumatomer. Samma teknik, uppskalad genom att använda flera metasytor eller en med stort synfält, borde kunna begränsa hundratals enskilda atomer, sa Agrawal, och kan leda vägen för att rutinmässigt fånga en rad atomer med hjälp av ett optiskt system i chip-skala .

Systemet höll atomerna på plats i cirka 10 sekunder, vilket är tillräckligt länge för att studera partiklarnas kvantmekaniska egenskaper och använda dem för att lagra kvantinformation. (Kvantexperiment arbetar på tidsskalor från tio miljondelar till tusendelar av en sekund.)

För att visa att de fångade rubidiumatomerna, belyste forskarna dem med en separat ljuskälla, vilket fick dem att fluorescera. Metaytorna spelade då en andra kritisk roll. Till en början hade de format och fokuserat det inkommande ljuset som fångade rubidiumatomerna. Nu fångade och fokuserade metasytorna det fluorescerande ljuset som emitterades av samma atomer, och omdirigerade den fluorescerande strålningen till en kamera för att avbilda atomerna.

Metasytorna kan göra mer än att bara begränsa enstaka atomer. Genom att fokusera ljus med exakt noggrannhet kan metasytorna locka enskilda atomer till speciella kvanttillstånd, skräddarsydda för specifika atomfångande experiment.

Till exempel kan polariserat ljus som riktas av de små linserna få en atoms spinn – ett kvantattribut som är analogt med jorden som snurrar runt sin axel – att peka i en viss riktning. Dessa interaktioner mellan fokuserat ljus och enstaka atomer är användbara för många typer av experiment och enheter i atomskala, inklusive framtida kvantdatorer. + Utforska vidare

Skräddarsydd magneto-optisk fälla tillåter kylning av indiumatomer till nära absolut noll

Denna berättelse är återpublicerad med tillstånd av NIST. Läs originalberättelsen här.