Оптический пинцет - это система, в которой используется сфокусированный лазерный свет, оказывающий физическое воздействие на контролируемый объект, который, за счет этого, можно передвигать и удерживать в определенной точке пространства. Подобный подход вполне можно использовать и по отношению к отдельным атомам, что может стать весьма полезным для области квантовых вычислений и коммуникаций. Но вот беда - даже при условии манипулирования крошечными атомами, устройства оптического пинцета являются весьма дорогостоящими и громоздкими, в них обычно используются оптические компоненты и линзы, диаметр которых исчисляется сантиметрами.
История технологий оптического пинцета прошла достаточно долгий путь. Она началась в 1960-х годах, когда ученые поняли, что давление света лазера вполне способно оказывать физическое влияние и служить для захвата крошечных частиц, атомов и даже живых бактерий. Исследования в этом направлении привели к тому, что к 1980-му году на свет появился первый работоспособный оптический пинцет, который принес его создателям Нобелевскую премию по физике в 2018 году.
Однако, как уже упоминалось выше, в большинстве случаев системы оптических пинцетов являются достаточно громоздкими для того, чтобы быть размещенными в вакуумной камере, внутри которой обычно проводятся манипуляции с отдельными атомами. Но ученые из американского Национального Института Стандартов и Технологий (National Institute of Standards and Technology, NIST) разработали новый тип оптического пинцета, который лишен всех недостатков и основой которого является миниатюрная металинза, линза на базе метаповерхности, усеянной миллионами наноразмерных столбиков.
Металинза представляет собой стеклянный квадрат с длиной стороны в 4 миллиметра. На поверхности этого квадрата вытравлены крошечные кремниевые столбики. Высота каждого из столбиков составляет несколько сотен нанометров и они расположены в виде упорядоченной структуры, формирующей плоскую металинзу. Эта металинза способна сфокусировать свет специального лазера в точке пространства, в котором находится облако атомов, и "выхватить" из облака один атом для дальнейшего удержания.
Несмотря на кажущуюся простоту, система работает достаточно сложным образом. Специальный лазер излучает свет в виде своего рода плоской волны, что означает, что свет перемещается как серия плоских листов. Когда такие "плоские" фотоны попадают на металинзу, выполняется их преобразование, фотоны укорачиваются (увеличивается их частота) и рассинхронизируюются заранее заданным образом. В точке фокуса металинзы волны света начинают взаимодействовать и создают область с резким энергетическим перепадом. И если в эту область попадет атом, он будет пойман в оптическую ловушку.
Если осветить металинзу светом нескольких лазеров с разными углами падения, она сформирует сразу несколько оптических ловушек, в которых может быть поймано несколько атомов. Более того, все это может быть устроено прямо внутри вакуумной камеры и не имеет никаких подвижных частей.
Во время демонстрации технологии ученые использовали металинзу для захвата 9 атомов рубидия, каждый из которых удерживался в ловушке на протяжении 10 секунд. Каждый из атомов был отслежен индивидуально, путем освещения из отдельного источника света, что заставило атом флюоресцировать. Это показало второе полезное свойство металинзы, которая может эффективно работать и в обратном направлении, улавливая фотоны флуоресценции атомов и направляя их в сторону фотодетектора.
Используя большее количество источников света и большее количество металинз, можно создать область пространства, в котором удерживаются одновременно сотни и тысячи атомов. А эта область, в свою очередь, может стать, к примеру, устройством памяти квантового компьютера в котором данные обрабатываются и хранятся в виде квантового состояния каждого атома-кубита.