操縱單原子新方法，科學家開發新型光鉗

眾所皆知原子難以控制，就算接近絕對零度仍會抖動，但科學家仍需嘗試捕獲並操縱單原子，以讓原子鐘或量子電腦等設備正常運行。近日，美國國家標準暨技術研究院（NIST）團隊設計出一種新型光鉗，表面鑲嵌數百萬個微小柱子，進一步擴大設備將能同時捕獲上百個單原子。

觀察和操作單個原子非常棘手，1960 年代雷射發明讓人們意識到可利用光的輻射壓來捕獲粒子甚至活細菌。1986 年，Arthur Ashkin 開發出把雷射光束當作筷子來「夾取」原子的工具「光鉗（optical tweezers，也稱光鑷）」，他也因此獲得 2018 年諾貝爾物理學獎。

如果可以在大型陣列內控制單個原子，它們就可以成為微小的離散訊息單元，以遠高於最快超級電腦的速度進行計算，但過去，光鉗無法在真空操作的顯微鏡系統中對原子進行成像。近日，美國國家標準暨技術研究院（NIST）與 JILA 的科學家開發出一種新型光鉗，可以解決這些問題。

新光鉗使用一塊 4 毫米玻璃，上面刻有數百萬根數百奈米高的微小矽柱以形成超表面，當雷射光撞擊表面，奈米柱能將光波轉為更小且略微不同步的「小波（wavelets）」，這些小波相互結合或「干擾」會將能量集中在一個特定位置──要被捕獲的原子位置。透過使用不同角度的雷射光撞擊超表面，小波可聚焦到不同的點，點上的原子將被困住。

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測試中團隊捕獲了 9 個銣原子，且每個原子被困在表面約 10 秒，足以研究粒子的量子力學特性並使用它們來存儲量子訊息；超表面結構也可以反向工作，收集原子發出的光並將其引導到用於對原子成像的外部相機。

此外，由微小透鏡引導的偏振光可以導致原子自旋──類似地球繞軸自轉的量子屬性但指向特定方向，研究人員表示，新光鉗未來可擴大或組合多個超表面工作，使它們有機會一次捕捉並操縱數百個原子，應用於量子電腦領域。

新論文發表在《PRX Quantum》期刊。