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Los investigadores desarrollan una lente en miniatura para atrapar átomos individuales

01 agosto 2022

(Noticias de NanwerkEs notoriamente difícil controlar los átomos. Están zigzagueando como luciérnagas, brotando de los contenedores más fuertes y vibrando incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto.

Sin embargo, los científicos necesitan buscar y manipular átomos individuales para que los dispositivos cuánticos, como relojes atómicos o computadoras cuánticas, funcionen correctamente. Si los átomos individuales se pueden agrupar y controlar en grandes matrices, pueden servir como bits cuánticos o qubits, pequeñas unidades discretas de información cuyo estado o dirección se puede usar en última instancia para realizar cálculos a velocidades mucho mayores que la supercomputadora más rápida.

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), junto con colaboradores de JILA, un instituto conjunto entre la Universidad de Colorado y el NIST en Boulder, han demostrado por primera vez que pueden cazar átomos individuales utilizando una nueva versión en miniatura de «pinzas ópticas» – un sistema que atrapa átomos usando el rayo láser como palitos para comer. Ilustración de luz enfocada utilizando una superficie de vidrio plana con millones de nanopilares que forman pinzas ópticas. Ilustración de luz enfocada utilizando una superficie de vidrio plana tachonada con millones de nanotubos (conocidos como metalens) que forman pinzas ópticas. (a) La sección transversal del dispositivo muestra ondas de luz planas enfocadas por ondas secundarias generadas por nanohaces de diferentes tamaños. (b) El mismo metal se usa para capturar y fotografiar los átomos individuales de rubidio. (Foto: Sean Kelly, Nido)

Las pinzas ópticas, ganadoras del Premio Nobel de Física de 2018, suelen presentar lentes gigantes de un centímetro u objetivos microscópicos de vacío extra que contienen átomos individuales. NIST y JILA han utilizado previamente esta tecnología con gran éxito para crear un reloj atómico.

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En el nuevo diseño, en lugar de las lentes típicas, el equipo del NIST utilizó una óptica no convencional: una oblea de vidrio cuadrada de unos 4 mm de largo impresa con millones de pilares de unos pocos cientos de nanómetros (mil millonésimas de metro) de altura que, en conjunto, actúan como si fueran muy pequeños. lentes. Estas superficies impresas se denominan superficies, enfocando la luz láser para atrapar, manipular y fotografiar átomos individuales dentro del vapor. Las metasuperficies pueden operar en el vacío donde está la nube de átomos atrapados, a diferencia de las pinzas ópticas regulares.

El proceso incluye varios pasos. Primero, la luz entrante de una forma particularmente simple, conocida como onda plana, golpea grupos de diminutos nanopilares. (Las ondas planas son como placas de luz paralelas en movimiento que tienen un frente de onda, o fase, uniforme, cuyas vibraciones permanecen sincronizadas entre sí y no divergen ni convergen a medida que viajan). Wavelets, cada una ligeramente desincronizada con su vecina. Como resultado, las ondas vecinas alcanzan sus picos en momentos ligeramente diferentes.

Estas ondas se combinan o «interfieren» entre sí, haciendo que enfoquen toda su energía en una posición específica: la ubicación del átomo que quedará atrapado.

Según el ángulo en el que las ondas de luz planas entrantes golpean los nanopilares, las ondas se enfocan en lugares ligeramente diferentes, lo que permite que el sistema óptico atrape una serie de átomos individuales que residen en ubicaciones ligeramente diferentes entre sí.

Debido a que las lentes planas en miniatura pueden operar dentro de una cámara de vacío y no requieren partes móviles, los átomos pueden quedar atrapados sin tener que construir y manipular un sistema óptico complejo, dijo el investigador del NIST Amit Agrawal. Otros investigadores del NIST y JILA han utilizado previamente pinzas ópticas convencionales con gran éxito en el diseño de relojes atómicos.

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En el nuevo estudio, Agrawal y otros dos científicos del NIST, Scott Papp y Wenqi Zhu, junto con colaboradores del Cindy Regal Group de JILA, diseñaron, fabricaron y probaron los tensioactivos y realizaron experimentos de captura de un solo átomo.

En un artículo publicado en PRX cuántico (Encajar un solo átomo en una pinza óptica con una lente ultra ancha), los investigadores informaron que atraparon por separado nueve átomos de rubidio individuales. Agrawal dijo que la misma tecnología, que se ha ampliado utilizando múltiples metasuperficies o una con un gran campo de visión, debería poder atrapar cientos de átomos individuales y podría abrir el camino para atrapar una matriz de átomos con una escala de oblea. sistema óptico. .

El sistema mantuvo los átomos en su lugar durante unos 10 segundos, tiempo suficiente para estudiar las propiedades mecánicas cuánticas de las partículas y usarlas para almacenar información cuántica. (Los experimentos cuánticos se ejecutan en escalas de tiempo de diez millonésimas a una milésima de segundo).

Para probar que habían capturado átomos de rubidio, los investigadores los iluminaron con una fuente de luz separada, haciéndolos brillar. Luego, las superficies perforantes jugaron un segundo papel crucial. Al principio, formaron y enfocaron la luz entrante que atrapó los átomos de rubidio. Ahora, las metasuperficies han capturado y enfocado la luz fluorescente emitida por estos mismos átomos, y la radiación fluorescente se redirige a la cámara para obtener imágenes de los átomos.

Las metasuperficies superficiales pueden hacer más que confinar átomos individuales. Al enfocar la luz con precisión milimétrica, las metasuperficies pueden persuadir a los átomos individuales a estados cuánticos especiales, diseñados para experimentos específicos de captura de átomos.

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Por ejemplo, la luz polarizada dirigida por lentes diminutas puede hacer que un átomo, una propiedad cuántica similar a la de la Tierra girando sobre su eje, gire para apuntar en una dirección específica. Estas interacciones entre la luz enfocada y los átomos individuales son útiles para muchos tipos de dispositivos y experimentos a escala atómica, incluidas las futuras computadoras cuánticas.

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