Des chercheurs développent une lentille miniature pour piéger les atomes

Les atomes sont notoirement difficiles à contrôler. Ils zigzaguent comme des lucioles, sortent des conteneurs les plus solides et tremblent même à des températures proches du zéro absolu.

Néanmoins, les scientifiques doivent piéger et manipuler des atomes uniques pour que les dispositifs quantiques, tels que les horloges atomiques ou les ordinateurs quantiques, fonctionnent correctement. Si des atomes individuels peuvent être regroupés et contrôlés dans de grands réseaux, ils peuvent servir de bits quantiques ou de qubits – de minuscules unités d’information discrètes dont l’état ou l’orientation peuvent éventuellement être utilisés pour effectuer des calculs à des vitesses bien supérieures à celles du supercalculateur le plus rapide.

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), ainsi que des collaborateurs de JILA, un institut conjoint de l’Université du Colorado et du NIST à Boulder, ont pour la première fois démontré qu’ils pouvaient piéger des atomes uniques à l’aide d’une nouvelle version miniaturisée de « pinces optiques » – un système qui saisit les atomes en utilisant un faisceau laser comme des baguettes.

Habituellement, les pincettes optiques, qui ont remporté le prix Nobel de physique 2018, comportent des lentilles volumineuses de taille centimétrique ou des objectifs de microscope en dehors du vide contenant des atomes individuels. Le NIST et le JILA ont déjà utilisé cette technique avec beaucoup de succès pour créer une horloge atomique.

Dans la nouvelle conception, au lieu de lentilles typiques, l’équipe du NIST a utilisé des optiques non conventionnelles – une plaquette de verre carrée d’environ 4 millimètres de long imprimée avec des millions de piliers de seulement quelques centaines de nanomètres (milliardièmes de mètre) de hauteur qui agissent collectivement comme de minuscules lentilles. Ces surfaces imprimées, appelées métasurfaces, focalisent la lumière laser pour piéger, manipuler et imager des atomes individuels dans une vapeur. Les métasurfaces peuvent fonctionner dans le vide où se trouve le nuage d’atomes piégés, contrairement aux pincettes optiques ordinaires.

Le processus comporte plusieurs étapes. Premièrement, la lumière entrante qui a une forme particulièrement simple, connue sous le nom d’onde plane, frappe des groupes de minuscules nanopiliers. (Les ondes planes sont comme des feuilles de lumière parallèles en mouvement qui ont un front d’onde uniforme, ou phase, dont les oscillations restent synchronisées les unes avec les autres et ne divergent ni ne convergent lorsqu’elles se déplacent.) Les groupements de nanopiliers transforment les ondes planes en une série de petits ondelettes, dont chacune est légèrement décalée par rapport à sa voisine. En conséquence, les ondelettes adjacentes atteignent leur pic à des moments légèrement différents.

Ces ondelettes se combinent ou « interfèrent » les unes avec les autres, les obligeant à concentrer toute leur énergie à une position spécifique – l’emplacement de l’atome qui doit être piégé.

Selon l’angle auquel les ondes planes de lumière entrantes frappent les nanopiliers, les ondelettes sont focalisées à des endroits légèrement différents, permettant au système optique de piéger une série d’atomes individuels qui résident à des endroits légèrement différents les uns des autres.

Comme les mini-lentilles plates peuvent fonctionner dans une chambre à vide et ne nécessitent aucune pièce mobile, les atomes peuvent être piégés sans avoir à construire et à manipuler un système optique complexe, a déclaré Amit Agrawal, chercheur au NIST. D’autres chercheurs du NIST et du JILA ont déjà utilisé avec succès des pincettes optiques conventionnelles pour concevoir des horloges atomiques.

Dans la nouvelle étude, Agrawal et deux autres scientifiques du NIST, Scott Papp et Wenqi Zhu, ainsi que des collaborateurs du groupe de Cindy Regal au JILA, ont conçu, fabriqué et testé les métasurfaces et effectué des expériences de piégeage d’un seul atome.

Dans un article publié aujourd’hui dans PRX Quantique, les chercheurs ont rapporté qu’ils avaient piégé séparément neuf atomes de rubidium simples. La même technique, mise à l’échelle en utilisant plusieurs métasurfaces ou une avec un grand champ de vision, devrait être capable de confiner des centaines d’atomes uniques, a déclaré Agrawal, et pourrait ouvrir la voie au piégeage systématique d’un réseau d’atomes à l’aide d’un système optique à l’échelle de la puce. .

Le système a maintenu les atomes en place pendant environ 10 secondes, ce qui est suffisamment long pour étudier les propriétés mécaniques quantiques des particules et les utiliser pour stocker des informations quantiques. (Les expériences quantiques fonctionnent sur des échelles de temps de dix millionièmes à millièmes de seconde.)

Pour démontrer qu’ils ont capturé les atomes de rubidium, les chercheurs les ont éclairés avec une source de lumière séparée, les faisant devenir fluorescents. Les métasurfaces ont alors joué un second rôle critique. Au départ, ils avaient façonné et focalisé la lumière entrante qui piégeait les atomes de rubidium. Désormais, les métasurfaces captent et focalisent la lumière fluorescente émise par ces mêmes atomes, redirigeant le rayonnement fluorescent vers une caméra afin d’imager les atomes.

Les métasurfaces peuvent faire plus que simplement confiner des atomes isolés. En focalisant la lumière avec une précision extrême, les métasurfaces peuvent amadouer des atomes individuels dans des états quantiques spéciaux, adaptés à des expériences spécifiques de piégeage d’atomes.

Par exemple, la lumière polarisée dirigée par les minuscules lentilles peut faire en sorte que la rotation d’un atome – un attribut quantique analogue à la rotation de la Terre sur son axe – pointe dans une direction particulière. Ces interactions entre la lumière focalisée et les atomes uniques sont utiles pour de nombreux types d’expériences et de dispositifs à l’échelle atomique, y compris les futurs ordinateurs quantiques.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation du NIST. Lire l’histoire originale ici.