世界最小的球类运动中，科学家用光投掷和捕捉单个原子

图：科学家使用两个光学陷阱来投掷和捕获单个原子。这是原子第一次从陷阱中释放或抛出，然后被另一个陷阱捕获。资料来源：Jaewook Ahn, Korea Advanced Institute of Science and Technology

       在韩国、日本和美国等许多热衷于棒球的国家，随着春季的到来，球季开始了，许多球在空中飞舞。但不仅仅是球可以扔。在可以想象的最微小的领域，科学家们现在已经证明，他们也可以利用光来投掷和捕捉单个原子。

       这一惊人的成就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保持和移动微小物体。虽然光学陷阱以前被用来移动单个原子，但这是第一次原子从陷阱中释放出来或被抛出，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，而不会被光学陷阱夹住或与之相互作用，”研究团队成员Jaewook Ahn说。换句话说，原子被抛到两个光学陷阱之间，就像棒球比赛中球在投手和捕手之间移动一样

       相关研究发表在《Optica》上，研究人员报告成功地将冷冻铷原子以每秒65厘米的速度抛向4.2微米的距离。这项技术可以用来制造量子计算机，量子计算机利用量子物理学来解决经典计算机无法解决的问题。

       Ahn说：“这些类型的飞行原子可以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。”。“它还可以用来制造单个原子之间的碰撞，开辟了原子间化学的新领域。”

图：研究小组成员Hansub Hwang（左）和Andrew Byun（右）与用于制造自由飞行原子的光学装置。投掷，一个装有原子的陷阱被加速，然后关闭，这会导致原子发射出陷阱。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。资料来源：Jaewook Ahn，韩国高级科学技术研究院

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。“我们想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。”

       为了创造自由飞行的原子，研究人员将铷原子冷却至接近0 K（接近绝对零度），并用800 nm激光形成光学陷阱。为了抛出一个原子，他们加速了持有它的光学陷阱，然后关闭了陷阱。这导致原子发射出陷阱。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证明演示。除了投掷和捕获原子外，他们还表明，这些原子可以通过另一个固定的光学陷阱，而不会受到沿途遇到的其他原子的影响。他们还使用他们的方法创建了原子阵列。

       在实验中，研究人员在大约94%的时间里成功地创造了自由飞行的原子。他们现在正在努力调整这项技术，使其接近100%的成功。

1. Jaewook Ahn et al, Optical tweezers throw and catch single atoms, Optica (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.480535