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鑒于其微小的尺寸，單個(gè)原子是出了名得難以看到和操縱，但找到這樣做的方法將是非常有用的。20世紀(jì)60年代激光器的發(fā)明最終使人們認(rèn)識(shí)到，其可以利用光的輻射壓力來(lái)捕獲粒子、原子甚至是活的細(xì)菌。到20世紀(jì)80年代，光學(xué)鑷子誕生了，為其創(chuàng)造者贏得了2018年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盡管這些“光的工具”一直很強(qiáng)大，但它們需要相對(duì)較大的厘米級(jí)透鏡并使用單獨(dú)的顯微鏡系統(tǒng)對(duì)原子進(jìn)行成像，這些系統(tǒng)不能在原子最初被保存和困住的真空中運(yùn)行。但為了這項(xiàng)新研究，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)和JILA的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種新型的光學(xué)鑷子來(lái)解決了這兩個(gè)問(wèn)題。

新的設(shè)計(jì)使用了一個(gè)4毫米的方形玻璃，上面蝕刻了微小的硅柱，每個(gè)硅柱有幾百納米高。這就形成了一個(gè)元表面，它能精確地調(diào)整進(jìn)入的激光，然后將其聚焦在真空中的原子云上挑出一個(gè)原子并進(jìn)行捕獲。

該系統(tǒng)以一種相當(dāng)聰明的方式工作。首先，激光是以平面波的形式發(fā)射的，這意味著它能以一系列平板的形式傳播。當(dāng)這些薄片撞擊到元表面時(shí)，納米柱將光波轉(zhuǎn)化為更小的“小波”，這些小波彼此之間略微不同步，因此它們?cè)诓煌臅r(shí)間達(dá)到它們的峰值。這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致小波相互干擾并有效地將它們的所有能量集中到一個(gè)非常細(xì)的點(diǎn)上--而恰好在該點(diǎn)上的原子將被困住。

通過(guò)用來(lái)自不同角度的平面波撞擊元表面，小波可以被集中到不同的點(diǎn)上，這使得鑷子可以同時(shí)捕獲幾個(gè)單獨(dú)的原子。跟現(xiàn)有的系統(tǒng)不同，這可以在存放目標(biāo)原子的真空室中完成且不需要任何移動(dòng)部件。

在測(cè)試中，該團(tuán)隊(duì)通過(guò)分別捕獲9個(gè)銣原子并在每個(gè)原子上保持大約10秒鐘來(lái)展示元表面。研究人員通過(guò)用一個(gè)單獨(dú)的光源照射它們來(lái)追蹤被困住的原子，這顯示了他們新系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)：元表面基本上也可以反向工作、收集原子發(fā)出的熒光并將其引導(dǎo)到一個(gè)外部相機(jī)中從而對(duì)原子進(jìn)行成像。

研究人員稱，這個(gè)新系統(tǒng)可以通過(guò)更大的視野或多個(gè)元表面協(xié)同工作來(lái)擴(kuò)大規(guī)模，這使得他們有可能同時(shí)捕獲和操縱數(shù)百個(gè)原子。這可能構(gòu)成量子計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器的基礎(chǔ)，其中數(shù)據(jù)被處理并存儲(chǔ)在每個(gè)原子的量子狀態(tài)中。