Nanopillared čočky umožňují vědcům zachytit jednotlivé atomy světlem

„Optické pinzety“ – systémy, které zaostřují světlo k zachycení a manipulaci s jednotlivými atomy – by mohly připravit cestu pro výkonná kvantová zařízení, ale mohou být trochu těžkopádné. Vědci nyní vyvinuli zjednodušený, menší design pro optické pinzety, který využívá metapovrchovou čočku posetou miliony drobných sloupků.

Vzhledem k jejich malé velikosti jsou jednotlivé atomy notoricky obtížné vidět a manipulovat s nimi, ale najít způsoby, jak to udělat, by bylo extrémně užitečné. Vynález laseru v 60. letech 20. století nakonec vedl k poznání, že radiační tlak světla lze využít k zachycení částic, atomů a dokonce i živých bakterií. V osmdesátých letech se zrodily optické pinzety, které jejich tvůrcům vynesly Nobelovu cenu za fyziku za rok 2018.

Jakkoli byly tyto „nástroje vyrobené ze světla“ mocné, vyžadují relativně velké čočky v centimetrovém měřítku a zobrazují atomy pomocí samostatných mikroskopických systémů, které nemohou fungovat ve vakuu, kde jsou atomy původně uchyceny a zachyceny. Ale pro novou studii vědci z Národního institutu pro standardy a technologie (NIST) a JILA vyvinuli nový typ optických pinzet, které oba problémy řeší.

Nový design používá čtverec skla o tloušťce 4 mm (0,2 palce), vyleptaný drobnými sloupky křemíku, z nichž každý je vysoký několik set nanometrů. To vytváří metapovrch, který přesně vyladí příchozí laserové světlo a soustředí ho na mrak atomů ve vakuu, z nichž jeden vybere k zachycení.

Systém funguje docela chytrým způsobem. Nejprve je laserové světlo vyzařováno jako rovinná vlna, což znamená, že se pohybuje jako řada plochých plátů. Když tyto vrstvy narazí na metapovrch, nanopilíry transformují světelné vlny na menší „vlnky“, které jsou mezi sebou mírně nesynchronizované, takže svých vrcholů dosahují v různých časech. Tato struktura způsobuje, že se vlnky vzájemně interferují a účinně soustředí veškerou svou energii do velmi jemného bodu – a atom, který se v tomto bodě náhodou nachází, bude zachycen.

Zasáhnutím metapovrchu rovinnými vlnami přicházejícími z různých úhlů mohou být vlnky zaměřeny na různé body, což umožňuje pinzetě zachytit několik jednotlivých atomů současně. Na rozdíl od stávajících systémů to lze provést přímo uvnitř vakuové komory, kde jsou uchovávány cílové atomy, a nevyžaduje žádné pohyblivé části.

V testech tým demonstroval metapovrch tím, že zachytil devět atomů rubidia odděleně, přičemž na každém držel asi 10 sekund. Vědci sledovali zachycené atomy tak, že je zasáhli samostatným světelným zdrojem, díky kterému fluoreskovaly, a to ukázalo další výhodu jejich nového systému: metapovrch může v podstatě fungovat i obráceně, sbírat fluorescenci emitovanou atomy a směrovat ji do externí kamera pro zobrazení atomů.

Výzkumníci říkají, že nový systém by mohl být rozšířen o větší zorné pole nebo více metapovrchů pracujících v souzvuku, což jim umožní potenciálně zachytit a manipulovat se stovkami atomů najednou. To by mohlo tvořit základ kvantové počítačové paměti, kde se data zpracovávají a ukládají v kvantových stavech každého atomu.

Výzkum byl publikován v časopise PRX Quantum.

Zdroj: NIST