Intrappolare singoli atomi è un po' come allevare gatti, che rende i ricercatori dell'Università del Colorado Boulder esperti di wrangler felini.

In un nuovo studio, un team guidato dal fisico Cindy Regal ha dimostrato di poter organizzare gruppi di singoli atomi in grandi griglie con un'efficienza ineguagliata dai metodi esistenti.

Gli atomi solitari sono un potenziale elemento costitutivo per sfruttare la fisica quantistica. Se i ricercatori possono catturare e controllare questi minuscoli pezzi di materia con i laser, possono creare nuovi tipi di materiali che si comportano in modi strani. Potrebbero anche portare a computer quantistici che un giorno potrebbero sostituire i tradizionali macina numeri.

Questo è un grande 'se, ' dicono i ricercatori. Come quei gatti, atomi neutri, o atomi senza carica, non sono facili da domare:sfrecciano in giro, schiantarsi l'uno contro l'altro e non stare mai fermi a lungo.

Ed è qui che entrano in gioco Regal e i suoi colleghi. In una ricerca pubblicata di recente in Revisione fisica X , gli scienziati hanno riferito di aver intrappolato single, atomi di rubidio neutri con una probabilità del 90%, utilizzando minuscoli raggi laser, chiamate anche "pinzette ottiche".

La nuova ricerca è un passo avanti per padroneggiare le dinamiche scivolose degli atomi, disse Regale, un professore associato in JILA e il Dipartimento di Fisica presso CU Boulder.

"I bit in un computer quantistico saranno necessariamente piccole cose, " ha detto. "E ogni piccola cosa presenta le sue sfide per le dispute".

È un approccio di cui molti ricercatori possono trarre vantaggio, ha detto Mark Brown, uno dei due autori principali del nuovo articolo.

"Tutti nel nostro campo devono caricare atomi, " disse Bruno, uno studente laureato in fisica. "Quindi, se hai una tecnica migliore per catturare gli atomi, allora molte persone possono farne uso."

Migliorare le probabilità

Ad oggi, gli scienziati si sono rivolti a una serie di tecniche per caricare i loro atomi, compreso l'uso di pinzette ottiche. In quella tecnica, i ricercatori hanno prima incrociato una serie di raggi laser per catturare atomi galleggianti e raffreddarli.

Allora è il momento di vagliare. Modificando attentamente l'energia dei loro laser, gli scienziati hanno scoperto che possono cambiare il comportamento dei loro atomi, costringendoli a scontrarsi l'uno con l'altro. Come demolire gatti randagi, quelle collisioni fanno uscire gli atomi dalla trappola a coppie di due.

Infine, ti rimane solo un singolo, atomo sopravvissuto. O quantomeno, questo è ciò che accade circa la metà delle volte, ha detto Brown.

"Se elimini tutte le coppie di atomi, allora o ti rimane un atomo o zero atomi, " Egli ha detto.

Il suo gruppo voleva fare meglio di un tasso di successo del 50 percento. Hanno iniziato utilizzando laser con un colore leggermente diverso da quello che solitamente scelgono i cacciatori di atomi.

Sotto questa nuova illuminazione, gli atomi di rubidio non entrarono più in collisione, ma invece si respingevano come premendo insieme gli stessi poli di due calamite, disse Tobias Thiele, l'altro autore principale del nuovo studio.

"Ora puoi fare in modo che uno degli atomi rimanga nella trappola e l'altro vada molto lontano, " disse Thiele, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Regal. "Finisci con un solo atomo nella trappola circa nove volte su 10."

Organizzarsi

Con quel livello di controllo, i ricercatori non solo hanno potuto isolare molti più atomi, ma organizzarli in modo più efficiente. Nel nuovo studio, hanno riferito che potrebbero assemblare questi atomi in griglie perfette sei per sei in una frazione del tempo degli strumenti attuali.

I ricercatori, che includeva anche gli studenti laureati Chris Kiehl e Ting-Wei Hsu, ora stanno lavorando per aumentare quel numero, passando da 36 atomi intrappolati a centinaia o addirittura migliaia.

Ed è allora che inizia il divertimento. Una volta che i ricercatori sono in grado di mantenere questi reticoli bidimensionali o addirittura tridimensionali, possono dire selettivamente ai singoli atomi di collegarsi con un vicino attraverso un processo chiamato entanglement quantistico. Tale intreccio, in cui un atomo è fondamentalmente connesso a un altro, è la base per i computer quantistici, disse Thiele.

"La cosa bella di questo sistema è che puoi attivare e disattivare le interazioni solo quando vuoi, " Egli ha detto.

Il che rende alcuni gatti ben educati.