Investigadores del NIST desarrollan lentes en miniatura para atrapar átomos
Los átomos son notoriamente difíciles de controlar. Zigzaguean como luciérnagas, saltan de los contenedores más resistentes y tiemblan incluso a temperaturas cercanas a cero.
Sin embargo, los científicos deben atrapar 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 redes, pueden servir como bits cuánticos o qubits, unidades de información diminutas y discretas cuyo estado u orientación se pueden utilizar potencialmente para realizar cálculos a velocidades muy superiores a las de la supercomputadora más rápida. .
Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), junto con colaboradores de JILA, un instituto conjunto de la Universidad de Colorado y el NIST en Boulder, han demostrado por primera vez que pueden atrapar átomos individuales utilizando una nueva versión miniaturizada de «pinzas ópticas» – un sistema que agarra átomos usando un rayo láser como varillas.
Ilustración gráfica del enfoque de la luz utilizando una superficie de vidrio plana salpicada de millones de nanopilares (llamados metalens) que forman una pinza óptica. (A) La sección transversal del dispositivo representa ondas planas de luz que se enfocan a través de pequeñas ondas secundarias generadas por nanopilares de tamaño variable. (B) Los mismos metales se utilizan para atrapar y generar imágenes de átomos de rubidio individuales.
Por lo general, pinzas ópticas, que informaron el Premio Nobel de Física 2018, cuentan con lentes voluminosas del tamaño de un centímetro u objetivos de microscopio fuera de un vacío que contiene átomos individuales. NIST y JILA ya han utilizado la técnica con gran éxito para crear un reloj atómico.
En el nuevo diseño, en lugar de los lentes típicos, el equipo del NIST utilizó una óptica no convencional: una placa cuadrada de vidrio de unos 4 milímetros de largo impresa con millones de pilares de solo unos cientos de nanómetros (mil millonésimas de metro) de altura que actúan colectivamente como lentes diminutos. Estas superficies impresas, llamadas metasuperficies, enfocan la luz láser para atrapar, manipular y obtener imágenes de átomos individuales en un vapor. Las metasuperficies pueden operar en el vacío donde está la nube de átomos atrapados, a diferencia de las pinzas ópticas ordinarias.
El proceso implica varios pasos. Primero, la luz entrante, que tiene una forma particularmente simple conocida como onda plana, golpea grupos de diminutos nanopilares. (Las ondas planas son como láminas de luz paralelas en movimiento que tienen un frente de onda, o fase, uniforme, cuyas oscilaciones permanecen sincronizadas entre sí y no divergen ni convergen a medida que se mueven). Los nanopilares agrupados transforman las ondas planas en una serie de pequeñas ondas, cada uno de los cuales está ligeramente desplazado de su vecino. Como resultado, las ondículas adyacentes alcanzan su punto máximo en momentos ligeramente diferentes.
Estas pequeñas ondas se combinan o «interfieren» entre sí, lo que hace que concentren toda su energía en una posición específica: la ubicación del átomo que debe ser atrapado.
Dependiendo del ángulo en el que las ondas planas de luz entrantes golpean los nanopilares, las ondículas se enfocan en ubicaciones 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 minilentes planas pueden operar en 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 ya han utilizado con éxito pinzas ópticas convencionales para diseñar relojes atómicos.
En el nuevo estudio, Agrawal y otros dos científicos del NIST, Scott Papp y Wenqi Zhu, junto con colaboradores del grupo de Cindy Regal en JILA, diseñaron, fabricaron y probaron las metasuperficies y realizaron experimentos de captura de un solo átomo.
En un artículo publicado hoy en PRX Quantum, los investigadores informaron que atraparon por separado nueve átomos de rubidio únicos. La misma técnica, ampliada utilizando múltiples metasuperficies o una con un gran campo de visión, debería poder confinar cientos de átomos únicos, dijo Agrawal, y podría allanar el camino para la captura sistemática de átomos mediante un sistema óptico a escala de chip. . .
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 operan en escalas de tiempo de diez millonésimas a milésimas de segundo).
Para demostrar que capturaron los átomos de rubidio, los investigadores los iluminaron con una fuente de luz separada, lo que provocó que emitieran fluorescencia. Las metasuperficies jugaron entonces un segundo papel crítico. Inicialmente, dieron forma y enfocaron la luz entrante que atrapó los átomos de rubidio. Ahora, las metasuperficies capturan y enfocan la luz fluorescente emitida por estos mismos átomos, redirigiendo la radiación fluorescente a una cámara para obtener imágenes de los átomos.
Las metasuperficies pueden hacer algo más que confinar átomos aislados. Al enfocar la luz con extrema precisión, las metasuperficies pueden persuadir a los átomos individuales a estados cuánticos especiales, adecuados para experimentos específicos de captura de átomos.
Por ejemplo, la luz polarizada dirigida por las diminutas lentes puede hacer que la rotación de un átomo, un atributo cuántico análogo a la rotación de la Tierra sobre su eje, apunte en una dirección particular. 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.
Papel: T.-W. Hsu, W. Zhu, T. Thiele, MO Brown, SB Papp, A. Agrawal y CA Regal. Atrapando un solo átomo en una pinza óptica de lente de metasuperficie. PRX cuántica. Publicado en línea el 1 de agosto de 2022. DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.030316.
