Agencias, Ciudad de México.- Físicos han demostrado por primera vez que pueden atrapar átomos individuales con una nueva versión miniaturizada de “pinzas ópticas”: un sistema que agarra átomos usando un rayo láser como palillos.

Los átomos son notoriamente difíciles de controlar. Zigzaguean como luciérnagas, salen de los contenedores más fuertes y tiemblan incluso a temperaturas cercanas al cero absoluto.

No obstante, los científicos necesitan atrapar y manipular átomos individuales para que los dispositivos cuánticos, como los relojes atómicos o las computadoras cuánticas, funcionen correctamente. Si los átomos individuales pueden ser acorralados y controlados en grandes matrices, pueden servir como bits cuánticos o qubits, pequeñas unidades discretas de información cuyo estado u orientación pueden eventualmente usarse para realizar cálculos a velocidades mucho mayores que la supercomputadora más rápida.

Por lo general, las pinzas ópticas, que obtuvieron el Premio Nobel de Física de 2018, cuentan con lentes voluminosas de un centímetro u objetivos de microscopio fuera del vacío que contienen átomos individuales.

Investigadores del NIST (National Institute of Standards and Technology), junto con colaboradores de JILA, un instituto conjunto de la Universidad de Colorado y el NIST, han utilizado previamente la técnica con gran éxito para crear un reloj atómico.

En el nuevo diseño, en lugar de los lentes típicos, el equipo del NIST usó óptica no convencional: una oblea de vidrio cuadrada de aproximadamente 4 milímetros de largo impresa con millones de pilares de solo unos pocos cientos de nanómetros (mil millonésimas de metro) de altura que actúan colectivamente como diminutos lentes. Estas superficies impresas, denominadas metasuperficies, enfocan la luz láser para atrapar, manipular y obtener imágenes de átomos individuales dentro de un vapor. Las metasuperficies pueden operar en el vacío donde se encuentra la nube de átomos atrapados, a diferencia de las pinzas ópticas ordinarias.

El proceso implica varios pasos. Primero, la luz entrante que tiene una forma particularmente simple, conocida como onda plana, golpea grupos de diminutos nanopilares. (Las ondas planas son como láminas de luz paralelas en movimiento que tienen un frente de onda, o fase, uniforme, cuyas oscilaciones permanecen sincronizadas entre sí y no divergen ni convergen a medida que viajan). Las agrupaciones de nanopilares transforman las ondas planas en una serie de pequeños wavelets, cada una de las cuales está ligeramente desincronizada con su vecina. Como resultado, las ondículas adyacentes alcanzan su punto máximo en momentos ligeramente diferentes.

Our colleagues at JILA at the University of Colorado continue to do amazing things! https://t.co/7gBv5mA92t #JILA #NIST #opticaltweezing #meadowlarkoptics pic.twitter.com/IgN46ls749

— Meadowlark Optics (@MLOptics) August 31, 2022

Estas pequeñas ondas se combinan o “interfieren” entre sí, haciendo que enfoquen toda su energía en una posición específica: la ubicación del átomo que se va a atrapar, informa el NIST.

Dependiendo del ángulo en el que las ondas planas de luz entrantes golpean los nanopilares, las pequeñas ondas se enfocan en lugares ligeramente diferentes, lo que permite que el sistema óptico atrape una serie de átomos individuales que residen en lugares ligeramente diferentes entre sí.

Debido a que las mini lentes planas se pueden operar dentro de una cámara de vacío y no requieren partes móviles, los átomos se pueden atrapar sin tener que construir y manipular un sistema óptico complejo, dijo el investigador del NIST Amit Agrawal. Otros investigadores del NIST y JILA han utilizado previamente pinzas ópticas convencionales con gran éxito para diseñar relojes atómicos.

En el nuevo estudio, Agawal y su equipo diseñaron, fabricaron y probaron las metasuperficies y realizaron experimentos de captura de un solo átomo.

En un artículo publicado en PRX Quantum, los investigadores informaron que habían atrapado por separado nueve átomos de rubidio individuales. La misma técnica, ampliada mediante el uso de múltiples metasuperficies o una con un gran campo de visión, debería poder confinar cientos de átomos individuales, dijo Agrawal, y podría abrir el camino para atrapar rutinariamente una matriz de átomos utilizando un sistema óptico a escala de chip.

El sistema mantuvo los átomos en su lugar durante unos 10 segundos, tiempo suficiente para estudiar las propiedades mecánicas cuánticas de las partículas y usarlas para almacenar información cuántica. (Los experimentos cuánticos operan en escalas de tiempo de diez millonésimas a milésimas de segundo).

Para demostrar que capturaron los átomos de rubidio, los investigadores los iluminaron con una fuente de luz separada, lo que provocó que emitieran fluorescencia. Las metasuperficies jugaron entonces un segundo papel fundamental. Inicialmente, habían moldeado y enfocado la luz entrante que atrapaba los átomos de rubidio. Ahora, las metasuperficies capturaron y enfocaron la luz fluorescente emitida por estos mismos átomos, redirigiendo la radiación fluorescente hacia una cámara para obtener imágenes de los átomos.

Las metasuperficies pueden hacer más que simplemente confinar átomos individuales. Al enfocar la luz con precisión milimétrica, las metasuperficies pueden persuadir a los átomos individuales a estados cuánticos especiales, adaptados para experimentos específicos de captura de átomos.

Por ejemplo, la luz polarizada dirigida por las diminutas lentes puede hacer que el giro de un átomo, un atributo cuántico análogo al de la Tierra girando sobre su eje, apunte en una dirección particular. Estas interacciones entre la luz enfocada y los átomos individuales son útiles para muchos tipos de experimentos y dispositivos a escala atómica, incluidas las futuras computadoras cuánticas.

Editors' Suggestion: A metasurface lens is used to trap and image single atoms, showing that complex quantum information experiments may leverage the multifunctional performance offered by optimized photonic metasurfaces. @JILAscience https://t.co/okIgRiR8CU pic.twitter.com/wsG1bGRU9u

— PRX Quantum (@PRX_Quantum) August 1, 2022