Линзы с метаповерхностью позволяют улавливать отдельные атомы
“Оптические пинцеты” – системы, которые фокусируют свет для улавливания и манипулирования отдельными атомами, — могут проложить путь к мощным квантовым устройствам, но они могут быть немного громоздкими. В настоящее время исследователи разработали упрощенную, уменьшенную конструкцию оптического пинцета, в которой используется метаповерхностная линза, усеянная миллионами крошечных столбиков.
Учитывая их крошечный размер, отдельные атомы, как известно, сложно увидеть и манипулировать ими, но способ сделать это был бы чрезвычайно полезен.
Изобретение лазера в 1960-х годах в конечном итоге привело к осознанию того, что давление излучения света можно использовать для улавливания частиц, атомов и даже живых бактерий. К 1980-м годам появились оптические пинцеты, которые принесли своим создателям Нобелевскую премию по физике за 2018 год.
Какими бы мощными ни были эти “инструменты, сделанные из света”, они требуют относительно больших линз сантиметрового масштаба и получения изображения атомов с помощью отдельных микроскопических систем, которые не могут работать в вакууме, где атомы изначально удерживаются и захватываются.
Но для нового исследования ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) и JILA разработали новый тип оптического пинцета, который решает обе проблемы.
В нем используется квадратное стекло толщиной 4 мм, на котором выгравированы крошечные столбы кремния, каждый из которых имеет высоту в несколько сотен нанометров. Это формирует метаповерхность, которая точно настраивает входящий лазерный луч и фокусирует его на облаке атомов в вакууме, выделяя один из них для захвата.
Система работает довольно умным способом. Сначала лазерный луч излучается в виде плоской волны, что означает, что он распространяется в виде серии плоских листов.
Когда эти листы попадают на метаповерхность, наностолбы преобразуют световые волны в более мелкие “волны”, которые немного не синхронизированы друг с другом, поэтому они достигают своих пиков в разное время. Эта структура заставляет волны интерферировать друг с другом и эффективно фокусировать всю свою энергию в очень тонкой точке – и атом, который случайно окажется в этой точке, окажется в ловушке.
Попадая на метаповерхность плоскими волнами, приходящими под разными углами, волны можно фокусировать в разных точках, что позволяет пинцету захватывать несколько отдельных атомов одновременно. В отличие от существующих систем, это может быть сделано прямо внутри вакуумной камеры, где хранятся атомы-мишени, и не требует никаких движущихся частей.
В ходе тестов команда ученых продемонстрировала метаповерхность, захватив девять атомов рубидия по отдельности и удерживая каждый около 10 секунд.
Исследователи отслеживали захваченные атомы, воздействуя на них отдельным источником света, который заставлял их флуоресцировать, и это продемонстрировало еще одно преимущество их новой системы: метаповерхность, по сути, может работать и в обратном направлении, собирая излучаемую атомами флуоресценцию и направляя ее во внешнюю камеру для получения изображения атомов.
Исследователи говорят, что новая система может быть расширена с большим полем зрения или несколькими метаповерхностями, работающими в унисон, что позволит им потенциально захватывать и манипулировать сотнями атомов одновременно. Это могло бы лечь в основу памяти квантового компьютера, где данные обрабатываются и хранятся в квантовых состояниях каждого атома.
Исследование было опубликовано в журнале PRX Quantum.