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光學(xué)鑷子實現(xiàn)捕捉原子的新壯舉！

2019-06-17 16:47 作者:博科園 0人讀過 | 我要投稿

捕獲單個原子有點像放養(yǎng)貓，這使得科羅拉多大學(xué)博爾德分校的研究人員成為貓科動物專家。在一項新研究中，由物理學(xué)家Cindy Regal領(lǐng)導(dǎo)的團隊表明，可以將單個原子群組織成大型網(wǎng)格，其效率是現(xiàn)有方法無法比擬的。

孤原子是利用量子物理的潛在構(gòu)件，如果研究人員能夠用激光捕捉并控制這些微小的物質(zhì)，就能創(chuàng)造出行為怪異的新型材料，還可能帶來量子計算機，有朝一日可能取代傳統(tǒng)的數(shù)字處理器。

博科園-科學(xué)科普：研究人員表示，這是一個很大的“如果”,就像那些貓一樣，中性原子或不帶電的原子也不容易馴服:它們四處亂竄，相互碰撞，從不長時間靜止不動。這就是Regal和同事的切入點，在發(fā)表在《物理評論X》(Physical Review X)上的一項研究中，科學(xué)家們報告稱，使用微小的激光束，也稱為“光鑷”，捕獲了單個中性銣原子，捕獲概率為90%。JILA大學(xué)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校物理系的副教授Regal說：這項新研究為掌握原子的光滑動力學(xué)向前邁出了一步。量子計算機中的比特必然微小，每一件小事都給爭吵帶來了挑戰(zhàn)。

（圖示）紅外線“光鑷”裝置的照片，正常情況下，這種激光器發(fā)出的光肉眼看不見。圖片：Mark Brown

這篇新論文的兩位主要作者之一馬克布朗(Mark Brown)說：很多研究人員都可以利用這種方法。物理學(xué)研究生布朗說：這個領(lǐng)域的每個人都必須加載原子，所以如果你有一種更好捕捉原子的技術(shù)，那么很多人就可以利用它。到目前為止，科學(xué)家們已經(jīng)采用了許多技術(shù)來加載原子，包括使用光鑷。在這項技術(shù)中，研究人員首先用一系列激光束交叉捕捉漂浮的原子并使其冷卻，那么是時候進行篩選了，通過仔細調(diào)整激光器的能量。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它們可以改變原子的行為，迫使它們相互碰撞。就像淘汰野貓一樣，這些碰撞把陷阱里的原子撞成兩對。

（圖示）利用激光捕捉技術(shù)，研究人員創(chuàng)建了一個10×10的孤獨原子網(wǎng)格(彩色方塊)，只有幾個空點(紅色方塊)。圖片：Brown et al. 2019

最終只剩下一個幸存的原子，至少有一半的時間是這樣。如果把所有原子都踢出去，那么要么只剩下一個原子，要么沒有原子。研究團隊想要做得比50%的成功率更好，開始使用與原子捕捉器通常選擇的顏色略有不同的激光。這項新研究的另一位主要作者托拜厄斯·泰爾(Tobias Thiele)說：在這種新的光照下，銣原子不再發(fā)生碰撞，而是相互排斥，就像把兩塊磁鐵的同一極壓在一起一樣。帝王實驗室的博士后研究員蒂勒說：現(xiàn)在可以讓其中一個原子留在陷阱里，另一個離得很遠，最終陷阱里只有一個原子，十有八九是這樣。

（圖示）通過移動激光器，該團隊能夠有效地將這些行和列融合成一個完美的6×6陣列。圖片：University of Colorado at Boulder

有了這種水平的控制，研究人員不僅可以分離出更多原子，而且可以更有效地組織它們。在這項新研究中，可以用現(xiàn)有工具的一小部分時間將這些原子組裝成完美的6×6網(wǎng)格。包括研究生克里斯·基爾(Chris Kiehl)和徐定偉(Ting-Wei Hsu)在內(nèi)的研究人員正在努力將這個數(shù)字提高，從36個被困原子增加到數(shù)百甚至數(shù)千個。這就是有趣的開始，一旦研究人員能夠維持這兩個甚至是三維晶格，就可以選擇性地告訴單個原子通過一個叫做量子糾纏的過程與相鄰原子相連。這種糾纏是量子計算機的基礎(chǔ)，即一個原子與另一個原子基本相連。這個系統(tǒng)的好處是，只有在你愿意的時候，才能開啟和關(guān)閉互動。