纳米柱透镜让科学家用光捕获单个原子

“光镊”——聚焦光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，它使用了一个镶嵌着数百万个微小柱子的超表面透镜。

鉴于它们的尺寸很小，单个原子是出了名的难以看到和操纵，但找到这样做的方法将非常有用。1960年代激光的发明最终导致人们意识到可以利用光的辐射压力来捕获粒子，原子甚至活细菌。到 1980 年代，光镊诞生了，为其创造者赢得了 2018 年诺贝尔物理学奖。

尽管这些“由光制成的工具”非常强大，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，这些显微镜系统无法在最初保存和捕获原子的真空中运行。但对于这项新研究，美国国家标准与技术研究院(NIST)和JILA的科学家开发了一种新型的光学镊子，可以解决这两个问题。

新设计使用4毫米(0.2英寸)的方形玻璃，蚀刻有微小的硅柱，每个硅柱高几百纳米。这形成了一个超表面，可以精确地调整入射的激光并将其聚焦在真空中的原子云上，挑出一个原子进行捕获。

该系统以非常聪明的方式工作。首先，激光以平面波的形式发射，这意味着它以一系列平板的形式传播。当这些薄片撞击超表面时，纳米柱将光波转化为较小的“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峰值。这种结构导致小波相互干扰，并有效地将所有能量集中在一个非常精细的点上——碰巧在那个点的原子将被困住。

通过用来自不同角度的平面波撞击超表面，小波可以聚焦到不同的点上，这使得镊子可以同时捕获几个单独的原子。与现有系统不同，这可以直接在保存目标原子的真空室内完成，并且不需要任何移动部件。

在测试中，研究小组通过分别捕获九个铷原子来证明超表面，每个原子保持约10秒。研究人员通过用单独的光源照射它们来跟踪被捕获的原子，使它们发出荧光，这展示了他们新系统的另一个优势：超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外部相机中对原子进行成像。

研究人员表示，新系统可以通过更大的视野或多个超表面协同工作来扩大规模，使他们能够同时捕获和操纵数百个原子。这可以构成量子计算机内存的基础，其中数据在每个原子的量子态中进行处理和存储。