Physiker entwickeln „optische Pinzetten“, die einzelne Atome manipulieren

Physiker des National Institute of Standards and Technology und der University of Colorado haben eine Metaoberfläche geschaffen

bedeckt mit Nanosäulen. Diese Linse interagiert mit Licht und ist in der Lage, eine Gruppe einzelner Atome einzufangen und mehrere Sekunden lang festzuhalten.

Traditionelle optische Pinzette, für die Kreationdie 2018 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet wurden, sind klobige, zentimetergroße Linsen und komplexe optische Systeme. In ihrer im Fachjournal PRX Quantum veröffentlichten Arbeit verwendeten die Forscher eine etwa 4 mm lange quadratische Glasplatte. Auf seiner Oberfläche haben Wissenschaftler Millionen winziger, mehrere hundert Nanometer hoher Säulen aufgebracht.

Schema des Geräts. Bild: Sean Kelley/NIST

Eine solche optische Metafläche fokussiertLaserlicht zum Einfangen, Manipulieren und Darstellen einzelner Atome. Im Gegensatz zu herkömmlichen optischen Pinzetten kann das Gerät in einem Vakuum betrieben werden, das eine Wolke gefangener Atome enthält.

Auflicht mit besonders einfacher Form,Eine sogenannte ebene Welle trifft auf Gruppen winziger Nanosäulen, erklären die Wissenschaftler. Gruppen von Nanosäulen verwandeln ebene Wellen in eine Reihe kleiner Wellen – Wavelets, von denen jede leicht asynchron mit der nächsten ist. Dadurch erreichen benachbarte Wavelets ihren Höhepunkt zu leicht unterschiedlichen Zeiten. Diese Wavelets kombinieren oder "interferieren" miteinander und konzentrieren ihre gesamte Energie auf einen bestimmten Ort - den Ort des einzufangenden Atoms.

Nanopillar-Gerät. Bild: T.-W. Hsu et al., PRX-Quantum

Je nachdem in welchem ​​Winkel die ankommendenebene Lichtwellen treffen auf Nanosäulen, Wavelets werden an verschiedenen Stellen fokussiert, was es dem optischen System ermöglicht, eine Reihe einzelner Atome zu erfassen, die sich an geringfügig unterschiedlichen Stellen befinden. In ihrer Arbeit nutzten die Wissenschaftler eine Metaoberfläche, um neun einzelne Rubidiumatome einzufangen. Die Autoren merken an, dass ein vergrößertes System in der Lage sein wird, Hunderte von einzelnen Atomen zu halten.

Das entwickelte Objektiv während des Experimentshielt die Atome etwa 10 Sekunden lang an Ort und Stelle. Dies reicht aus, um die quantenmechanischen Eigenschaften von Teilchen zu untersuchen und sie zur Speicherung von Quanteninformationen zu nutzen.

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