今日消息 纳米柱状透镜让科学家能用光诱捕单个原子

“光学镊子”--聚焦光线以捕获和操纵单个原子的系统--可以为强大的量子设备铺平道路，但它们可能有点麻烦。研究人员现在已经开发出一种简化的、更小的光学镊子设计，它使用一个镶嵌着数百万个微小支柱的元表面透镜。

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鉴于其微小的尺寸，单个原子是出了名得难以看到和操纵，但找到这样做的方法将是非常有用的。20世纪60年代激光器的发明最终使人们认识到，其可以利用光的辐射压力来捕获粒子、原子甚至是活的细菌。到20世纪80年代，光学镊子诞生了，为其创造者赢得了2018年诺贝尔物理学奖。

尽管这些“光的工具”一直很强大，但它们需要相对较大的厘米级透镜并使用单独的显微镜系统对原子进行成像，这些系统不能在原子最初被保存和困住的真空中运行。但为了这项新研究，美国国家标准与技术研究所(NIST)和JILA的科学家开发了一种新型的光学镊子来解决了这两个问题。

新的设计使用了一个4毫米的方形玻璃，上面蚀刻了微小的硅柱，每个硅柱有几百纳米高。这就形成了一个元表面，它能精确地调整进入的激光，然后将其聚焦在真空中的原子云上挑出一个原子并进行捕获。

该系统以一种相当聪明的方式工作。首先，激光是以平面波的形式发射的，这意味着它能以一系列平板的形式传播。当这些薄片撞击到元表面时，纳米柱将光波转化为更小的“小波”，这些小波彼此之间略微不同步，因此它们在不同的时间达到它们的峰值。这种结构导致小波相互干扰并有效地将它们的所有能量集中到一个非常细的点上--而恰好在该点上的原子将被困住。

通过用来自不同角度的平面波撞击元表面，小波可以被集中到不同的点上，这使得镊子可以同时捕获几个单独的原子。跟现有的系统不同，这可以在存放目标原子的真空室中完成且不需要任何移动部件。

在测试中，该团队通过分别捕获9个铷原子并在每个原子上保持大约10秒钟来展示元表面。研究人员通过用一个单独的光源照射它们来追踪被困住的原子，这显示了他们新系统的另一个优势：元表面基本上也可以反向工作、收集原子发出的荧光并将其引导到一个外部相机中从而对原子进行成像。

研究人员称，这个新系统可以通过更大的视野或多个元表面协同工作来扩大规模，这使得他们有可能同时捕获和操纵数百个原子。这可能构成量子计算机存储器的基础，其中数据被处理并存储在每个原子的量子状态中。