在世界最小的球赛中，科学家用光投掷和捕捉单个原子
发布时间：2023-03-10 08:00:00 阅读数： 18
科学家们使用两个光学陷阱来投掷和捕捉单个原子。这是第一次将原子从一个陷阱中释放出来，或者说是抛出，然后被另一个陷阱抓住。资料来源：Jaewook Ahn，韩国科学和技术高级研究所
在许多痴迷棒球的国家，如韩国和美国，随着春季的到来，赛季开始了，相当多的球在空中飞舞。但是，可以抛出的不仅仅是球。在可以想象的最微小的领域，科学家们现在已经证明他们也可以用光来投掷和捕捉单个原子。
这一惊人的壮举是通过光学陷阱实现的，它使用高度集中的激光束来保持和移动微小物体。尽管光学陷阱以前曾被用来移动单个原子，但这是第一次将原子从陷阱中释放出来--或被抛出，然后被另一个陷阱抓住。
"自由飞行的原子从一个地方移动到另一个地方，而没有被光学陷阱抓住或与之相互作用，"来自韩国科学和技术高级研究所的研究小组成员Jaewook Ahn说。"换句话说，原子在两个光学陷阱之间被抛出和抓住，就像棒球比赛中球在投手和捕手之间移动一样"。
在《Optica》杂志上，研究人员报告说，他们成功地将冰冷的铷原子抛出了4.2微米的距离，速度高达65厘米/秒。该技术可用于制造量子计算机，它利用量子物理学来解决对经典计算机来说过于复杂的问题。
安说："这些类型的飞行原子可以实现一种新型的动态量子计算，允许量子比特的相对位置--相当于二进制比特的量子--更自由地改变，"。"它还可以用来在单个原子之间产生碰撞，开辟一个新的逐个原子的化学领域。"
如何抓住一个飞行的原子？
这项新研究是正在进行的量子计算项目的一部分，该项目涉及使用光学陷阱将原子排列成一个特定的阵列。安说："我们经常遇到排列错误，导致阵列有缺陷，"安说。"我们想找到一种有效的方法来修复有缺陷的阵列，而不必移动大量的原子，因为这可能导致更多的缺陷。"
为了创造自由飞行的原子，研究人员将铷原子冷却到接近0K（温度接近绝对零度），并用800纳米激光器形成光学陷阱。为了抛出一个原子，他们加速容纳该原子的光学陷阱，然后关闭陷阱。这导致原子从陷阱中发射出来。然后打开另一个陷阱以捕获进入的原子并减速，直到原子完全停止。
为了测试他们的方法，研究人员进行了一组原则性验证的演示。除了投掷和捕捉原子之外，他们还表明，原子可以被投掷到另一个固定的光学陷阱中，并且不受沿途遇到的其他原子的影响。他们还使用他们的方法来创建原子阵列。
在实验中，研究人员在大约94%的时间里成功创造了自由飞行的原子。他们现在正努力对该技术进行微调，以获得更接近100%的成功。
更多信息：Jaewook Ahn et al, Optical tweezers throw and catch single atoms, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.480535
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