科学家利用光投掷和捕捉单个原子

在韩国、日本和美国等许多痴迷棒球的国家，春天是赛季的开始，相当多的球在空中飞舞。但可以投掷的不仅仅是球。在可以想象的最小场上，科学家们现在已经证明他们还可以利用光投掷和捕获单个原子。

这一惊人的壮举是通过光学陷阱实现的，光学陷阱使用高度聚焦的激光束来固定和移动微小的物体。虽然光学陷阱以前曾被用来移动单个原子，但这是第一次一个原子从陷阱中释放出来 - 或抛出 - 然后被另一个陷阱捕获。

“自由飞行的原子从一个地方移动到另一个地方，而不会被光学陷阱抓住或相互作用，”韩国科学技术高级研究所的研究团队成员Jaewook Ahn说。“换句话说，原子被抛出并夹在两个光学陷阱之间，就像棒球比赛中球在投手和捕手之间传播一样。

在Optica杂志上，研究人员报告说，他们成功地以每秒4厘米的速度将冰冷的铷原子抛出2.65微米的距离。该技术可用于制造量子计算机，量子计算机使用量子物理学来解决对于经典计算机来说过于复杂的问题。

“这些类型的飞行原子可以通过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，从而实现一种新型的动态量子计算，”Ahn说。“它也可以用来在单个原子之间产生碰撞，开辟一个原子间化学的新领域。

你如何捕捉飞行的原子?

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特定的阵列。“我们经常遇到排列错误，导致阵列有缺陷，”Ahn说。“我们希望找到一种有效的方法来修复有缺陷的阵列，而不必移动大量原子，因为这可能会导致更多的缺陷。

为了制造自由飞行的原子，研究人员将铷原子冷却到接近0K(接近绝对零度的温度)，并用800纳米激光形成光学陷阱。为了抛出原子，他们加速了固定它的光学陷阱，然后关闭了陷阱。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理验证演示。除了投掷和捕捉原子外，他们还表明原子可以通过另一个静止的光学陷阱抛出，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数组。

在实验中，研究人员在大约94%的时间内成功地创造了自由飞行的原子。他们现在正在努力微调该技术，以接近100%的成功。