개별 원자를 포착하고 조작하기 위해 빛을 집중시키는 시스템인 "광 핀셋"은 강력한 양자 장치를 위한 길을 열 수 있지만 약간 다루기 어려울 수 있습니다. 연구원들은 이제 수백만 개의 작은 기둥이 박힌 메타표면 렌즈를 사용하는 단순화되고 축소된 광학 핀셋 디자인을 개발했습니다.
작은 크기를 감안할 때 개별 원자는 보고 조작하기가 매우 어렵기로 악명이 높지만 그렇게 하는 방법은 매우 유용할 것입니다.
1960년대 레이저의 발명은 결국 빛을 방출하는 압력이 입자, 원자, 심지어 살아있는 박테리아를 가두는 데 사용될 수 있다는 사실을 깨닫게 했습니다. 1980년대에 광학 핀셋이 등장하여 2018년 노벨 물리학상을 받았습니다.
이러한 "빛으로 만들어진 도구"가 강력한 만큼 상대적으로 큰 센티미터 규모의 렌즈와 원자가 처음에 고정되고 포획되는 진공에서 작동할 수 없는 별도의 현미경 시스템으로 원자의 이미징이 필요합니다.
그러나 새로운 연구를 위해 NIST(National Institute of Standards and Technology)와 JILA의 과학자들은 두 가지 문제를 모두 해결하는 새로운 유형의 광학 핀셋을 개발했습니다.
그것은 각각 높이가 수백 나노미터인 작은 실리콘 기둥이 새겨진 4mm 두께의 정사각형 유리를 사용합니다. 이것은 들어오는 레이저 빔을 미세 조정하고 진공 상태의 원자 구름에 초점을 맞추고 캡처를 위해 그 중 하나를 강조 표시하는 메타표면을 형성합니다.
시스템은 꽤 똑똑한 방식으로 작동합니다. 레이저 빔은 먼저 평면파로 방출되는데, 이는 일련의 평평한 시트로 전파됨을 의미합니다.
이 시트가 메타표면에 부딪힐 때, 나노기둥은 광파를 서로 약간 동기화되지 않은 더 작은 "파동"으로 변환하여 서로 다른 시간에 정점에 도달합니다. 이 구조는 파동이 서로 간섭하도록 하고 모든 에너지를 매우 얇은 점에 효과적으로 집중시키고 그 점에서 우연히 원자가 갇히게 됩니다.
다른 각도에서 오는 평면파로 메타표면을 치면 파도가 다른 지점에 집중되어 핀셋이 동시에 여러 개의 개별 원자를 포착할 수 있습니다. 기존 시스템과 달리 타겟 원자가 저장된 진공 챔버 내부에서 바로 수행할 수 있으며 움직이는 부품이 필요하지 않습니다.
테스트에서 팀은 9개의 루비듐 원자를 개별적으로 포착하고 각각을 약 10초 동안 유지하여 메타표면을 시연했습니다.
연구원들은 갇힌 원자를 형광을 발생시키는 별도의 광원에 노출시켜 추적함으로써 새로운 시스템의 또 다른 이점을 보여주었습니다. 메타표면은 실제로 반대로 작동하여 원자에서 방출된 형광을 수집하고 이를 내부로 유도할 수 있습니다. 원자의 이미지를 얻기 위한 외부 챔버.
연구원들은 새로운 시스템이 더 큰 시야로 확장되거나 동시에 작동하는 다중 메타표면으로 확장되어 잠재적으로 한 번에 수백 개의 원자를 포착하고 조작할 수 있다고 말합니다. 이것은 데이터가 각 원자의 양자 상태에서 처리되고 저장되는 양자 컴퓨터의 메모리 기반을 형성할 수 있습니다.
이 연구는 PRX Quantum 저널에 게재되었습니다.
2022-08-06 04:33:04
작가: Vitalii Babkin