Os átomos são notoriamente difíceis de controlar. Eles ziguezagueiam como vaga-lumes, saem dos recipientes mais fortes e tremem mesmo em temperaturas próximas do zero absoluto.
No entanto, os cientistas precisam capturar e manipular átomos únicos para que dispositivos quânticos, como relógios atômicos ou computadores quânticos, funcionem corretamente. Se átomos individuais podem ser encurralados e controlados em grandes conjuntos, eles podem servir como bits quânticos, ou qubits – pequenas unidades discretas de informação cujo estado ou orientação podem eventualmente ser usados ​​para realizar cálculos em velocidades muito maiores do que o supercomputador mais rápido.

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), juntamente com colaboradores do JILA – um instituto conjunto da Universidade do Colorado e do NIST em Boulder – demonstraram pela primeira vez que podem capturar átomos únicos usando uma nova versão miniaturizada de "pinças ópticas" - um sistema que agarra átomos usando um feixe de laser como pauzinhos.

Normalmente, as pinças ópticas, que receberam o Prêmio Nobel de Física de 2018, apresentam lentes volumosas do tamanho de um centímetro ou objetivas de microscópio fora do vácuo segurando átomos individuais. NIST e JILA já usaram a técnica com grande sucesso para criar um relógio atômico.

No novo design, em vez de lentes típicas, a equipe do NIST usou ótica não convencional – um wafer de vidro quadrado com cerca de 4 milímetros de comprimento impresso com milhões de pilares com apenas algumas centenas de nanômetros (bilionésimos de metro) de altura que coletivamente atuam como minúsculos lentes. Essas superfícies impressas, apelidadas de metasuperfícies, focam a luz do laser para capturar, manipular e criar imagens de átomos individuais dentro de um vapor. As metasuperfícies podem operar no vácuo onde está localizada a nuvem de átomos aprisionados, ao contrário das pinças ópticas comuns.

O processo envolve várias etapas. Primeiro, a luz incidente que tem uma forma particularmente simples, conhecida como onda plana, atinge grupos de minúsculos nanopilares. (As ondas planas são como folhas de luz paralelas em movimento que têm uma frente de onda uniforme, ou fase, cujas oscilações permanecem sincronizadas umas com as outras e não divergem nem convergem à medida que viajam.) Os agrupamentos de nanopilares transformam as ondas planas em uma série de pequenas ondas. wavelets, cada uma ligeiramente fora de sincronia com sua vizinha. Como resultado, as wavelets adjacentes atingem seu pico em momentos ligeiramente diferentes.

Essas wavelets se combinam ou "interferem" umas nas outras, fazendo com que concentrem toda a sua energia em uma posição específica - a localização do átomo que deve ser aprisionado.

Dependendo do ângulo em que as ondas planas de luz atingem os nanopilares, as ondas são focadas em locais ligeiramente diferentes, permitindo que o sistema óptico capture uma série de átomos individuais que residem em locais ligeiramente diferentes uns dos outros.

Como as mini-lentes planas podem ser operadas dentro de uma câmara de vácuo e não requerem partes móveis, os átomos podem ser presos sem ter que construir e manipular um sistema óptico complexo, disse o pesquisador do NIST Amit Agrawal. Outros pesquisadores do NIST e JILA já usaram pinças ópticas convencionais com grande sucesso para projetar relógios atômicos.

No novo estudo, Agrawal e dois outros cientistas do NIST, Scott Papp e Wenqi Zhu, juntamente com colaboradores do grupo de Cindy Regal no JILA, projetaram, fabricaram e testaram as metasuperfícies e realizaram experimentos de captura de um único átomo.

Em um artigo publicado hoje na PRX Quantum , os pesquisadores relataram que haviam aprisionado separadamente nove átomos de rubídio. A mesma técnica, ampliada usando várias metasuperfícies ou uma com grande campo de visão, deve ser capaz de confinar centenas de átomos únicos, disse Agrawal, e pode liderar o caminho para capturar rotineiramente uma matriz de átomos usando um sistema óptico em escala de chip. .

O sistema manteve os átomos no lugar por cerca de 10 segundos, tempo suficiente para estudar as propriedades mecânicas quânticas das partículas e usá-las para armazenar informações quânticas. (Experiências quânticas operam em escalas de tempo de dez milionésimos a milésimos de segundo.)

Para demonstrar que eles capturaram os átomos de rubídio, os pesquisadores os iluminaram com uma fonte de luz separada, fazendo com que eles fluorescessem. As metasuperfícies desempenharam então um segundo papel crítico. Inicialmente, eles moldaram e focaram a luz recebida que prendeu os átomos de rubídio. Agora, as metasuperfícies capturaram e focaram a luz fluorescente emitida por esses mesmos átomos, redirecionando a radiação fluorescente para uma câmera para obter imagens dos átomos.

As metasuperfícies podem fazer mais do que apenas confinar átomos únicos. Ao focar a luz com precisão, as metasuperfícies podem persuadir átomos individuais a estados quânticos especiais, adaptados para experimentos específicos de captura de átomos.

Por exemplo, a luz polarizada direcionada pelas minúsculas lentes pode fazer com que a rotação de um átomo – um atributo quântico análogo à Terra girando em seu eixo – aponte em uma direção específica. Essas interações entre luz focada e átomos únicos são úteis para muitos tipos de experimentos e dispositivos em escala atômica, incluindo futuros computadores quânticos. + Explorar mais

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Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.