Atome sind notorisch schwer zu kontrollieren. Sie zickzack wie Glühwürmchen, tunneln aus den stärksten Behältern und zittern selbst bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
Dennoch müssen Wissenschaftler einzelne Atome einfangen und manipulieren, damit Quantengeräte wie Atomuhren oder Quantencomputer ordnungsgemäß funktionieren. Wenn einzelne Atome in großen Anordnungen zusammengeschlossen und gesteuert werden können, können sie als Quantenbits oder Qubits dienen – winzige diskrete Informationseinheiten, deren Zustand oder Ausrichtung schließlich verwendet werden kann, um Berechnungen mit einer Geschwindigkeit durchzuführen, die weit über der des schnellsten Supercomputers liegt.
Forscher des National Institute of Standards and Technology (NIST) haben zusammen mit Mitarbeitern von JILA – einem gemeinsamen Institut der University of Colorado und NIST in Boulder – zum ersten Mal gezeigt, dass sie einzelne Atome mit einer neuartigen miniaturisierten Version von einfangen können „optische Pinzette“ – ein System, das Atome mit einem Laserstrahl als Essstäbchen greift.
Normalerweise verfügen optische Pinzetten, die 2018 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden, über sperrige zentimetergroße Linsen oder Mikroskopobjektive außerhalb des Vakuums, die einzelne Atome halten. NIST und JILA haben die Technik zuvor mit großem Erfolg zur Herstellung einer Atomuhr eingesetzt.
In dem neuen Design verwendete das NIST-Team anstelle typischer Linsen eine unkonventionelle Optik – einen quadratischen Glaswafer mit einer Länge von etwa 4 Millimetern, der mit Millionen von Säulen bedruckt ist, die nur wenige hundert Nanometer (Milliardstel Meter) hoch sind und zusammengenommen als winzig wirken Linsen. Diese geprägten Oberflächen, Metaoberflächen genannt, fokussieren Laserlicht, um einzelne Atome in einem Dampf einzufangen, zu manipulieren und abzubilden. Anders als gewöhnliche optische Pinzetten können die Metaoberflächen im Vakuum arbeiten, in dem sich die Wolke aus gefangenen Atomen befindet.
Der Prozess umfasst mehrere Schritte. Zunächst trifft einfallendes Licht, das eine besonders einfache Form hat, die sogenannte ebene Welle, auf Gruppen der winzigen Nanosäulen. (Ebene Wellen sind wie sich bewegende parallele Lichtschichten mit einer einheitlichen Wellenfront oder Phase, deren Schwingungen miteinander synchron bleiben und auf ihrem Weg weder divergieren noch konvergieren.) Die Gruppierungen von Nanosäulen verwandeln die ebenen Wellen in eine Reihe kleiner Wellen Wavelets, von denen jedes leicht asynchron mit seinem Nachbarn ist. Infolgedessen erreichen benachbarte Wavelets ihren Höhepunkt zu leicht unterschiedlichen Zeiten.
Diese Wavelets kombinieren oder „interferieren“ miteinander, wodurch sie ihre gesamte Energie auf eine bestimmte Position konzentrieren – die Position des Atoms, das eingefangen werden soll.
Abhängig vom Winkel, in dem die einfallenden ebenen Lichtwellen auf die Nanosäulen treffen, werden die Wavelets an leicht unterschiedlichen Stellen fokussiert, wodurch das optische System eine Reihe einzelner Atome einfangen kann, die sich an leicht unterschiedlichen Stellen voneinander befinden.
Da die Mini-Flachlinsen in einer Vakuumkammer betrieben werden können und keine beweglichen Teile benötigen, können die Atome eingefangen werden, ohne dass ein komplexes optisches System gebaut und manipuliert werden muss, sagte NIST-Forscher Amit Agrawal. Andere Forscher von NIST und JILA haben zuvor mit großem Erfolg herkömmliche optische Pinzetten verwendet, um Atomuhren zu entwerfen.
In der neuen Studie entwarfen, fabrizierten und testeten Agrawal und zwei weitere NIST-Wissenschaftler, Scott Papp und Wenqi Zhu, zusammen mit Mitarbeitern von Cindy Regals Gruppe bei JILA die Metaoberflächen und führten Einzelatom-Einfangexperimente durch.
In einem heute veröffentlichten Artikel in PRX Quantum, berichteten die Forscher, dass sie neun einzelne Rubidiumatome separat eingefangen hatten. Die gleiche Technik, die durch die Verwendung mehrerer Metaoberflächen oder einer mit großem Sichtfeld vergrößert wird, sollte in der Lage sein, Hunderte von einzelnen Atomen einzuschließen, sagte Agrawal, und könnte den Weg weisen, eine Anordnung von Atomen mithilfe eines optischen Systems im Chipmaßstab routinemäßig einzufangen .
Das System hielt die Atome etwa 10 Sekunden lang an Ort und Stelle, was lange genug ist, um die quantenmechanischen Eigenschaften der Teilchen zu untersuchen und sie zum Speichern von Quanteninformationen zu verwenden. (Quantenexperimente arbeiten auf Zeitskalen von zehn Millionstel bis Tausendstel Sekunden.)
Um zu demonstrieren, dass sie die Rubidium-Atome eingefangen haben, beleuchteten die Forscher sie mit einer separaten Lichtquelle, wodurch sie fluoreszierten. Die Metaoberflächen spielten dann eine zweite entscheidende Rolle. Zunächst hatten sie das einfallende Licht geformt und fokussiert, das die Rubidiumatome eingefangen hatte. Jetzt erfassten und fokussierten die Metaoberflächen das von denselben Atomen emittierte fluoreszierende Licht und leiteten die fluoreszierende Strahlung in eine Kamera um, um die Atome abzubilden.
Die Metaoberflächen können mehr, als nur einzelne Atome einzuschließen. Durch punktgenaues Fokussieren des Lichts können die Metaoberflächen einzelne Atome in spezielle Quantenzustände versetzen, die für spezifische Atom-Trapping-Experimente maßgeschneidert sind.
Beispielsweise kann polarisiertes Licht, das von den winzigen Linsen gelenkt wird, bewirken, dass der Spin eines Atoms – ein Quantenattribut, das der Rotation der Erde um ihre eigene Achse entspricht – in eine bestimmte Richtung zeigt. Diese Wechselwirkungen zwischen fokussiertem Licht und einzelnen Atomen sind für viele Arten von Experimenten und Geräten im Atommaßstab nützlich, einschließlich zukünftiger Quantencomputer.
T.-W. Hsu et al, Einfangen einzelner Atome in einer optischen Pinzette mit Metaoberflächenlinsen, PRX Quantum (2022). DOI: 10.1103/PRXQuantum.3.030316
Diese Geschichte wurde mit freundlicher Genehmigung von NIST neu veröffentlicht. Lesen Sie die Originalgeschichte hier.