Fisica

I ricercatori hanno prodotto reticoli 3D di atomi intrappolati per possibili compiti di calcolo quantistico, ma la tecnologia standard non consente molto controllo sulla spaziatura degli atomi. Ora un team ha creato un nuovo tipo di reticolo 3D combinando pinzette ottiche – punti di luce focalizzata che intrappolano gli atomi – con un fenomeno ottico noto come effetto Talbot [1]. Il reticolo 3D delle pinzette del team ha siti per 10.000 atomi, ma con alcune semplici modifiche, il sistema potrebbe raggiungere 100.000 atomi. Una disposizione di atomi così grande potrebbe eventualmente fungere da piattaforma per un computer quantistico con correzione degli errori.

I reticoli ottici 3D esistono da decenni. Il metodo standard per crearli prevede l’incrocio di sei raggi laser per generare uno schema di interferenza 3D che intrappola gli atomi nei punti ad alta o bassa intensità (vedi Sinossi: Individuazione di qubit in un reticolo 3D). Questi sistemi di atomi freddi sono stati utilizzati come orologi di precisione e come modelli di sistemi di materia condensata. Tuttavia, la distanza tra gli atomi è fissata dalla lunghezza d’onda della luce, il che può limitare il controllo che i ricercatori hanno sul comportamento atomico.

Le pinzette ottiche offrono un metodo alternativo per intrappolare e controllare gli atomi. Per formare una serie di pinzette, i ricercatori fanno passare un singolo raggio laser attraverso una serie di microlenti (o un dispositivo simile) che focalizza il raggio in uno schema 2D di più punti luminosi. Gli atomi vengono automaticamente attratti dai centri di questi punti, formando una serie su un unico piano (vedi Punto di vista: atomi alcalini tenuti con pinzette ottiche). "Portiamo questi array di pinzette nella terza dimensione", afferma Malte Schlosser dell'Università tecnica di Darmstadt, in Germania.

Per ottenere un reticolo 3D, Schlosser e i suoi colleghi hanno sfruttato l’effetto Talbot, che è un fenomeno di interferenza che si verifica quando la luce colpisce una struttura periodica, come un reticolo di diffrazione o una serie di microlenti. La luce che esce dalla struttura produce uno schema di interferenza 2D di punti luminosi ad una certa distanza fissa oltre la struttura, ma genera anche ulteriori piani di punti paralleli al primo. L’effetto Talbot è stato a lungo considerato un fastidio per la ricerca sugli array di pinzette, poiché crea punti luminosi “extra” che intrappolano gli atomi vaganti, interferendo con le misurazioni. I ricercatori hanno trasformato questo “bug in una caratteristica” sintonizzando deliberatamente il loro sistema ottico per intrappolare gli atomi nei punti più luminosi, spiega Schlosser.

I ricercatori hanno puntato un laser da 800 milliwatt su una serie di microlenti, che ha prodotto una serie quadrata 2D di 777 trappole atomiche sul piano focale della lente. Ma grazie all’effetto Talbot, questa matrice 2D è stata riprodotta su 17 piani paralleli, per un totale di 10.000 trappole atomiche. "Questi aerei Talbot vengono forniti gratuitamente, quindi non dobbiamo fornire ulteriore potenza laser o raggi laser aggiuntivi", afferma Schlosser.

Come dimostrazione del loro sistema, Schlosser e i suoi colleghi hanno dimostrato che potevano caricare circa il 50% delle trappole con atomi di rubidio e indurre una transizione ottica in tutti gli atomi di un sottoreticolo. In futuro, il team prevede di utilizzare un raggio laser focalizzato per eccitare selettivamente un singolo atomo. Tale controllo ottico potrebbe consentire ai ricercatori di “leggere” lo stato dell'atomo o di collocarlo nel cosiddetto stato Rydberg che gli consentirebbe di interagire con i suoi vicini. Il controllo delle interazioni atomo-atomo è stato precedentemente dimostrato negli array di pinzette 2D. Schlosser prevede la presenza di interazioni atomo-atomo nel reticolo 3D, ma attualmente la spaziatura tra i piani è troppo grande (intorno a 100 µm); sarebbe necessaria una distanza di 10 µm o meno.

Oltre a ridurre la spaziatura del reticolo, il team prevede di esplorare altre geometrie di trappola, come modelli esagonali che potrebbero imitare materiali come il grafene. I ricercatori stanno anche lavorando per aumentare la potenza del laser. Più luce aumenterà il numero di trappole nel reticolo. Si stima che raddoppiando la potenza si potrebbero produrre 30.000 trappole e che quadruplicandola si dovrebbero produrre quasi 100.000.