In vielen Baseball-besessenen Ländern wie Korea, Japan und den Vereinigten Staaten beginnt mit den Frühlingsmonaten die Saison und einige Bälle fliegen durch die Luft. Aber es können nicht nur Bälle geworfen werden. Auf kleinstem denkbarem Feld haben Wissenschaftler nun gezeigt, dass sie mit Licht auch einzelne Atome werfen und fangen können.
Dieses erstaunliche Kunststück wurde mit optischen Fallen erreicht, die einen stark fokussierten Laserstrahl verwenden, um winzige Objekte zu halten und zu bewegen. Obwohl schon früher optische Fallen verwendet wurden, um einzelne Atome zu bewegen, ist dies das erste Mal, dass ein Atom aus einer Falle befreit – oder geworfen – und dann von einer anderen Falle gefangen wird.
„Die frei fliegenden Atome bewegen sich von einem Ort zum anderen, ohne von der optischen Falle festgehalten zu werden oder mit ihr zu interagieren“, sagte Forschungsteammitglied Jaewook Ahn vom Korea Advanced Institute of Science and Technology. „Mit anderen Worten, das Atom wird zwischen den beiden optischen Fallen geworfen und gefangen, ähnlich wie der Ball zwischen dem Werfer und einem Fänger in einem Baseballspiel wandert.“
Im Tagebuch Optik, berichten die Forscher, dass sie gekühlte Rubidium-Atome erfolgreich über eine Entfernung von 4,2 Mikrometern mit einer Geschwindigkeit von bis zu 65 Zentimetern pro Sekunde geschleudert haben. Die Technologie könnte zur Herstellung von Quantencomputern verwendet werden, die mithilfe der Quantenphysik Probleme lösen, die für klassische Computer zu komplex sind.
„Diese Arten von fliegenden Atomen könnten eine neue Art von dynamischem Quantencomputing ermöglichen, indem sie ermöglichen, dass die relativen Positionen von Qubits – dem Quantenäquivalent zu binären Bits – freier geändert werden können“, sagte Ahn. „Es könnte auch verwendet werden, um Kollisionen zwischen einzelnen Atomen zu erzeugen und ein neues Feld der Atom-für-Atom-Chemie zu eröffnen.“
Wie fängt man ein fliegendes Atom?
Die neue Forschung ist Teil eines laufenden Quantencomputerprojekts, bei dem optische Fallen verwendet werden, um Atome in einem bestimmten Array anzuordnen. „Wir sind oft auf Anordnungsfehler gestoßen, die ein Array defekt machten“, sagte Ahn. „Wir wollten einen effizienten Weg finden, ein defektes Array zu reparieren, ohne eine große Anzahl von Atomen bewegen zu müssen, denn das könnte zu noch mehr Defekten führen.“
Um frei fliegende Atome zu erzeugen, kühlten die Forscher Rubidiumatome auf nahezu 0 K (nahe dem absoluten Temperaturnullpunkt) und bildeten optische Fallen mit einem 800-nm-Laser. Um ein Atom zu werfen, beschleunigen sie die optische Falle, die es hält, und schalten dann die Falle aus. Dadurch wird das Atom aus der Falle geschleudert. Eine weitere Falle wird dann eingeschaltet, um das ankommende Atom einzufangen, und abgebremst, bis das Atom vollständig zum Stillstand kommt.
Um ihre Methode zu testen, führten die Forscher eine Reihe von Proof-of-Principle-Demonstrationen durch. Zusätzlich zum Werfen und Fangen von Atomen zeigten sie, dass die Atome durch eine andere stationäre optische Falle geworfen werden konnten und nicht von anderen Atomen beeinflusst wurden, denen sie auf dem Weg begegneten. Sie verwendeten ihre Methode auch, um Anordnungen von Atomen zu erzeugen.
In den Experimenten gelang es den Forschern in etwa 94 % der Fälle, frei fliegende Atome zu erzeugen. Sie arbeiten jetzt an der Feinabstimmung der Technik, um dem 100%igen Erfolg näher zu kommen.
Mehr Informationen:
Jaewook Ahn et al., Optische Pinzetten werfen und fangen einzelne Atome, Optik (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.480535