Les "pinces optiques" - des systèmes qui concentrent la lumière pour piéger et manipuler des atomes individuels - pourraient ouvrir la voie à de puissants dispositifs quantiques, mais ils peuvent être un peu encombrants. Les chercheurs ont maintenant développé une conception de pince optique simplifiée et réduite qui utilise une lentille à métasurface parsemée de millions de minuscules piliers.
Compte tenu de leur petite taille, les atomes individuels sont notoirement difficiles à voir et à manipuler, mais un moyen de le faire serait extrêmement utile.
L'invention du laser dans les années 1960 a finalement conduit à la réalisation que la pression d'émission de lumière pouvait être utilisée pour piéger des particules, des atomes et même des bactéries vivantes. Dans les années 1980, les pincettes optiques sont apparues, ce qui a valu à leurs créateurs le prix Nobel de physique 2018.
Aussi puissants que soient ces «outils faits de lumière», ils nécessitent des lentilles centimétriques relativement grandes et une imagerie des atomes avec des systèmes microscopiques séparés qui ne peuvent pas fonctionner dans le vide où les atomes sont initialement retenus et capturés.
Mais pour la nouvelle étude, des scientifiques du National Institute of Standards and Technology (NIST) et du JILA ont développé un nouveau type de pince à épiler optique qui résout les deux problèmes.
Il utilise du verre carré de 4 mm d'épaisseur gravé de minuscules piliers de silicium de quelques centaines de nanomètres de haut chacun. Cela forme une métasurface qui affine le faisceau laser entrant et le concentre sur un nuage d'atomes dans le vide, mettant en évidence l'un d'entre eux pour la capture.
Le système fonctionne de manière assez intelligente. Le faisceau laser est d'abord émis sous forme d'onde plane, ce qui signifie qu'il se propage sous la forme d'une série de nappes planes.
Lorsque ces feuilles frappent la métasurface, les nanopiliers convertissent les ondes lumineuses en "ondes" plus petites qui sont légèrement désynchronisées les unes avec les autres, de sorte qu'elles culminent à des moments différents. Cette structure fait que les ondes interfèrent les unes avec les autres et concentrent efficacement toute leur énergie en un point très fin - et un atome qui se trouve à ce point sera piégé.
En frappant la métasurface avec des ondes planes provenant de différents angles, les ondes peuvent être focalisées à différents points, permettant à la pince à épiler de capturer plusieurs atomes individuels en même temps. Contrairement aux systèmes existants, cela peut être fait directement à l'intérieur de la chambre à vide où les atomes cibles sont stockés et ne nécessite aucune pièce mobile.
Lors de tests, l'équipe a démontré la métasurface en capturant neuf atomes de rubidium individuellement et en les maintenant pendant environ 10 secondes.
Les chercheurs ont suivi les atomes piégés en les exposant à une source de lumière séparée qui les a rendus fluorescents, démontrant un autre avantage de leur nouveau système : la métasurface peut, en fait, fonctionner en sens inverse, collectant la fluorescence émise par les atomes et la dirigeant dans une chambre externe pour obtenir des images d'atomes.
Les chercheurs affirment que le nouveau système pourrait être étendu avec un champ de vision plus large ou plusieurs métasurfaces travaillant à l'unisson, leur permettant potentiellement de capturer et de manipuler des centaines d'atomes à la fois. Cela pourrait constituer la base de la mémoire d'un ordinateur quantique, où les données sont traitées et stockées dans les états quantiques de chaque atome.
L'étude a été publiée dans la revue PRX Quantum.
2022-08-06 04:33:04
Auteur: Vitalii Babkin