新技术助力高通量光学捕获

北京大学 王树峰 编译自Antoine Browaeys.Physics,December 28,2018)

本报讯
光学捕获是一种功能强大的新型测量方法,它使得单分子生物物理测量成为可能。然而,现阶段以激光为基础的工具,在特定时间内完成对于单个分子的操纵仍然局限重重。

三个独立的研究小组实现了用阵列的光镊捕获双电子原子,为量子模拟和多体研究提供了新的机遇。

美国康奈尔大学物理学院原子与固体物理实验室Soltani等研究人员,正在尝试构建一个基于纳米光子驻波阵列的全新技术平台,使其能够通过芯片实现高通量的光学捕获。在芯片的流体俘获区域,裸露的波导可以在驻波渐逝场的波腹区域形成一个稳定的光学陷阱。

人们对量子领域有很多期待,如实现复杂数学问题的量子计算和更敏感的探测器,但真正达到则有赖于有效地制备和控制量子系统。这一系统由可相互作用的多个独立单元构成,如离子、光子、电子对等。中性原子具有可以被精细操纵的优点,同时也可以达到数千原子数目的规模。目前,基于中性原子的工作是在光晶格中展开,其中的原子被单个地约束于激光束干涉形成的节点,相邻间距为半个波长。同时科学家们也在寻找更灵活的技术和更奇异的系统状态。

该装置使激光束得以回收利用,从而在不增加激光功率的情况下,形成一系列光学陷阱。其中,一个集成的电子微型加热器负责控制诱捕阵列的重新定位。研究人员通过排序被停滞在两个被困珠间的单个DNA分子,展现出该平台可以对单一生化反应开展高通量分析的光明前景,并阐明了该研究平台的卓越性能。

近期的研究展示一种基于光镊的替代方法。光镊是一种微米尺度的光学陷阱,通过高数值孔径聚焦激光束而获得。陷阱的体积可以非常小,甚至可以只约束一个原子。利用光学技术可以在二维和三维空间中形成数百个陷阱位点构成的阵列并束缚原子。与光晶格相比,光镊阵列中原子间距可以在亚微米到10微米间变化。

《中国科学报》 (2014-07-22 第8版 生物)

光镊阵列中原子间的相互作用可以通过在位点间诱导量子隧穿或让原子位于称为里德伯态的高激发态来实现。这种相互作用可以用来探索量子磁性,以及作为量子计算中的量子门。为实现原子的稳定阵列排布,一个可能的方法是利用碱土金属,比如锶。这些原子有两个价电子,它们的光学跃迁具有长寿命,其波长覆盖了从紫外到红外的宽波段。而且,这些跃迁具有宽的线宽,易于快速冷却。同时,第二个价电子的存在使得即便第一个电子处于里德伯态,原子也可以被俘获。

基于这些特性,3个独立的研究小组成功地把碱土金属原子塞进光镊阵列。有两个小组在光镊阵列中约束了几百个锶原子,他们是Manuel
Endres领导的加州理工学院的小组,以及Adam
Kaufman领导的位于科罗拉多州的实验天文物理联合学院的小组。第三个小组来自于普林斯顿大学Jeff
Thompson 实验室,他们用的是镱原子。

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