На иллюстрации: «Ковер» Тальбота. Klaus Hornberger et al. / Reviews оf Modern Physics. Немецкие физики разработали технологию формирования четких трехмерных оптических решеток, основанную на эффекте Тальбота. Данный интересный эффект предполагает создание волнового узора, или «ковра», позади полноценной дифракционной решетки, где периодически воспроизводится изображение щелей. Благодаря этому методу учёным удалось разместить более десяти тысяч атомов в дефектной трехмерной решетке и провести адресные манипуляции с этими атомами. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters. Способ улавливания атомов светом открыл перспективы для прогресса в широком спектре физических дисциплин: начиная от ультрахолодной химии и физики квантовых газов, и заканчивая квантовыми вычислениями и атомными часами. Однако ряд задач требует удержания большого количества атомов, для чего традиционно применялись двумерные оптические решетки.
Их формируют либо на пересечении стоячих волн, ориентированных под углом друг к другу, либо создавая систему оптических пинцетов из одного луча с помощью акустооптических модуляторов или металинз.
Выход в третье измерение станет главным путем масштабирования технологий на основе пленения множества атомов. Физики умеют создавать трехмерные решетки с помощью скрещивания трех пар лазерных лучей. Ранее это позволило увеличить точность атомных часов. Но пока это технология довольно сложная и допускает малую вариативность параметров решетки.
Мальте Шлоссер и его коллеги из Дармштадтского технического университета предложили новый подход к созданию трехмерных оптических решеток. Он основан на явлении, которое носит название эффект или «ковер» Тальбота. Он возникает непосредственно за дифракционной решеткой (то есть, в ближнем поле) после того, как на нее падает плоская волна, и представляет собой сложный фрактальный паттерн из областей повышенной и пониженной интенсивности.
Важно при этом, что изображение щелей повторяется на расстояниях, равных полуцелому числу длины Тальбота. В какой-то момент, определяемый шириной дифракционной решетки, «ковер» заканчивается, и лучи расходятся в дальнее поле согласно теории Фраунгофера. Идея авторов заключается в том, чтобы загружать атомы в эти дополнительные слои с массивами световых пятен.
При реализации этой идеи физики заменили дифракционную решетку двумерным массивом микролинз размером 166×166 штук и периодом 30 микрометров и облучали его светом титан-сапфирового лазера с длиной волны 796,3 нанометра. После прохождения массива микролинз свет попадал в обычную оптику, с помощью которой авторы настраивали параметры «ковра». В их опыте период решетки был равен 10 микрометрам, а расстояние между слоями — 133 микрометрам.
Схема эксперимента. Malte Schlosser et al. / Physical Review Letters
Затем ученые загружали в получившуюся решетку охлажденные атомы рубидия-85. Атомы захватывались в узлы с вероятностью 60 процентов, поэтому физикам потребовался дополнительный пинцет, чтобы расставить атомы в бездефектные массивы в каждом слое. В результате им удалось получить 17 таких слоев по 777 атомов в каждом.
Физики исследовали возможность масштабирования получившихся решеток. Они выяснили, что общее число атомов, которое можно будет пленить таким способом, может быть доведено до ста тысяч, если увеличить мощность лазера всего в пять раз. Помимо этого авторы продемонстрировали возможности адресации атомов, выстроив их в антиферромагнитный порядок по спину, а также решетки с более сложной геометрией.
(a) Примеры более сложных решеток, полученных наложением двух разных лазерных лучей в одних и тех же оптических элементах. (b) Иллюстрация к формированию антиферромагнитного порядка в слое. Все изображения получены с помощью атомной флуоресценции. Malte Schlosser et al. / Physical Review Letters
Предложенная физиками технология в перспективе способна масштабировать квантовые компьютеры и квантовые симуляторы на основе ридберговских атомов. Для этого им нужно будет придумать, как сократить расстояние между слоями, сделав его сопоставимым с периодом внутри слоя.
Квантовыми симуляциями на плененных ридберговских атомах занимается группа Лукина, которая изготовила 256-кубитный квантовый симулятор.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
