Gli atomi sono notoriamente difficili da controllare. Si muovono a zigzag come lucciole, escono dai contenitori più resistenti e tremano anche a temperature prossime allo zero assoluto.

Tuttavia, gli scienziati devono intrappolare e manipolare singoli atomi affinché i dispositivi quantistici, come orologi atomici o computer quantistici, funzionino correttamente. Se i singoli atomi possono essere raggruppati e controllati in grandi array, possono fungere da bit quantistici, o qubit, minuscole unità discrete di informazioni il cui stato o orientamento possono eventualmente essere utilizzati per eseguire calcoli a velocità di gran lunga superiori a quelle del supercomputer più veloce.

I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), insieme ai collaboratori del JILA, un istituto congiunto dell'Università del Colorado e del NIST di Boulder, hanno dimostrato per la prima volta di poter intrappolare singoli atomi utilizzando una nuova versione miniaturizzata di "pinzette ottiche":un sistema che afferra gli atomi usando un raggio laser come bacchette.

Di solito, le pinzette ottiche, che hanno vinto il Premio Nobel per la Fisica 2018, sono dotate di ingombranti lenti di dimensioni centimetriche o obiettivi da microscopio al di fuori del vuoto che tengono i singoli atomi. NIST e JILA hanno già utilizzato la tecnica con grande successo per creare un orologio atomico.

Nel nuovo design, invece delle lenti tipiche, il team del NIST ha utilizzato un'ottica non convenzionale:un wafer di vetro quadrato di circa 4 millimetri di lunghezza stampato con milioni di pilastri alti solo poche centinaia di nanometri (miliardesimi di metro) che collettivamente agiscono come minuscoli lenti a contatto. Queste superfici impresse, soprannominate metasuperfici, focalizzano la luce laser per intrappolare, manipolare e visualizzare i singoli atomi all'interno di un vapore. Le metasuperfici possono operare nel vuoto in cui si trova la nuvola di atomi intrappolati, a differenza delle normali pinzette ottiche.

Il processo prevede diversi passaggi. In primo luogo, la luce in entrata che ha una forma particolarmente semplice, nota come onda piana, colpisce gruppi di minuscoli nanopillari. (Le onde piane sono come fogli di luce in movimento paralleli che hanno un fronte d'onda uniforme, o fase, le cui oscillazioni rimangono sincronizzate tra loro e non divergono né convergono mentre viaggiano.) I raggruppamenti di nanopillari trasformano le onde piane in una serie di piccoli wavelets, ognuno dei quali è leggermente fuori sincronia con il suo vicino. Di conseguenza, le wavelet adiacenti raggiungono il loro picco in tempi leggermente diversi.

Queste wavelet si combinano o "interferiscono" tra loro, facendo sì che focalizzino tutta la loro energia in una posizione specifica, la posizione dell'atomo che deve essere intrappolato.

A seconda dell'angolo con cui le onde di luce piane in arrivo colpiscono i nanopillari, le wavelet sono focalizzate in punti leggermente diversi, consentendo al sistema ottico di intrappolare una serie di singoli atomi che risiedono in posizioni leggermente diverse l'una dall'altra.

Poiché le mini lenti piatte possono essere azionate all'interno di una camera a vuoto e non richiedono parti mobili, gli atomi possono essere intrappolati senza dover costruire e manipolare un complesso sistema ottico, ha affermato il ricercatore del NIST Amit Agrawal. Altri ricercatori del NIST e del JILA hanno precedentemente utilizzato pinzette ottiche convenzionali con grande successo per progettare orologi atomici.

Nel nuovo studio, Agrawal e altri due scienziati del NIST, Scott Papp e Wenqi Zhu, insieme ai collaboratori del gruppo di Cindy Regal presso JILA, hanno progettato, fabbricato e testato le metasuperfici ed eseguito esperimenti di cattura di un singolo atomo.

In un articolo pubblicato oggi su PRX Quantum , i ricercatori hanno riferito di aver intrappolato separatamente nove singoli atomi di rubidio. La stessa tecnica, ampliata utilizzando più metasuperfici o una con un ampio campo visivo, dovrebbe essere in grado di confinare centinaia di singoli atomi, ha affermato Agrawal, e potrebbe aprire la strada per intrappolare regolarmente una serie di atomi utilizzando un sistema ottico a scala di chip .

Il sistema ha tenuto gli atomi in posizione per circa 10 secondi, un tempo sufficiente per studiare le proprietà quantomeccaniche delle particelle e utilizzarle per memorizzare informazioni quantistiche. (Gli esperimenti quantistici operano su scale temporali da dieci milionesimi a millesimi di secondo.)

Per dimostrare che hanno catturato gli atomi di rubidio, i ricercatori li hanno illuminati con una fonte di luce separata, facendoli diventare fluorescenti. Le metasuperfici hanno poi svolto un secondo ruolo critico. Inizialmente, avevano modellato e focalizzato la luce in entrata che intrappolava gli atomi di rubidio. Ora le metasuperfici hanno catturato e focalizzato la luce fluorescente emessa da questi stessi atomi, reindirizzando la radiazione fluorescente in una fotocamera per visualizzare gli atomi.

Le metasuperfici possono fare molto di più che confinare singoli atomi. Focalizzando la luce con una precisione millimetrica, le metasuperfici possono convincere i singoli atomi a speciali stati quantistici, adattati per esperimenti di cattura di atomi specifici.

Ad esempio, la luce polarizzata diretta dalle minuscole lenti può far sì che la rotazione di un atomo, un attributo quantistico analogo alla rotazione della Terra sul suo asse, punti in una direzione particolare. Queste interazioni tra luce focalizzata e singoli atomi sono utili per molti tipi di esperimenti e dispositivi su scala atomica, compresi i futuri computer quantistici. + Esplora ulteriormente

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Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.