NISTの研究者が、原子を捕捉するための小型レンズを開発(NIST Researchers Develop Miniature Lens for Trapping Atoms)

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ナノピラーを積層した表面は光と相互作用し、単一原子を捕捉、画像化、操作する新しい方法を提供する。 Nanopillar-studded surfaces interact with light to provide a new way to trap, image and manipulate single atoms.

2022-08-01 アメリカ国立標準技術研究所(NIST)

「光ピンセット」(レーザービームを箸のように使って原子をつかむシステム)を新たに小型化し、単一原子を捕捉できることを初めて実証した。
この新しい設計では、通常のレンズの代わりに、従来とは異なる光学系を使用した。長さ約4ミリの正方形のガラスウェハーに、高さわずか数百ナノメートル(1メートルの10億分の1)の柱を数百本刻み、それらが集合して小さなレンズの役割を果たすのである。「メタサーフェス」と呼ばれるこの転写面は、レーザー光を集光し、蒸気中の個々の原子を捕捉、操作、画像化する。メタサーフェスは、通常の光ピンセットとは異なり、閉じ込められた原子の雲がある真空中で動作させることができる。
研究者らは本日『PRX Quantum』誌に発表した論文で、9個のルビジウム単原子を個別にトラップしたことを報告した。
同じ技術を、複数のメタサーフェスや大きな視野をもつメタサーフェスを使ってスケールアップすれば、数百個の単一原子を閉じ込めることができるはずであり、チップ規模の光学系を使って原子の配列を日常的にトラップする道を切り開くことができる。

<関連情報>

メタサーフェスレンズ型光ピンセットにおける単一原子のトラッピング Single-Atom Trapping in a Metasurface-Lens Optical Tweezer

T.-W. Hsu, W. Zhu, T. Thiele, M. O. Brown, S. B. Papp, A. Agrawal, and C. A. Regal
PRX Quantum  Published 1 August 2022
DOI:https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.3.030316

ABSTRACT

Optical metasurfaces of subwavelength pillars have provided new capabilities for the versatile definition of the amplitude, phase, and polarization of light. In this work, we demonstrate that an efficient dielectric metasurface lens can be used to trap and image single neutral atoms with a long working distance from the lens of 3 mm. We characterize the high-numerical-aperture optical tweezers using the trapped atoms and compare with numerical computations of the metasurface-lens performance. We predict that future metasurfaces for atom trapping will be able to leverage multiple ongoing developments in metasurface design and enable multifunctional control in complex quantum information experiments with neutral-atom arrays.

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