Yksittäisen atomin käyttö kamerana

Apulaisprofessori Takafumi Tomitan ja professori Kenji Ohmorin johtama tutkimusryhmä japanin National Institutes of Natural Sciencesin molekyylitieteen laitoksella on kehittänyt uuden mikroskopiatekniikan nimeltä "Atom Camera".

Siinä käytetään yhtä absoluuttisessa nollapisteessä olevaa ultrakylmää atomia, joka on loukussa optisessa pinsetissä kamerana, jolla visualisoidaan valon intensiteetin ja polarisaation jakaumat nanometrien mittakaavassa.

Tässä tutkimuksessa optisen pinsetin avulla vangittua yksittäistä atomia käytettiin onnistuneesti skannaavana luotaimena kuvantamaan valon intensiteetti- ja polarisaatiojakaumien hienorakenteita spatiaalisella resoluutiolla, joka ylitti perinteisten optisten mikroskooppien diffraktiorajan.

Kvanttitietokoneet ja muut kvanttiteknologiat ovat vahvassa kehitysvaiheessa, joten kvanttiteknologioissa käytettyjen hienorakenteisten valokenttien tarkka hallinta on kriittisen tärkeää. Erityisesti laservalo on yksi tärkeimmistä työkaluista aineen kvanttitilojen hallinnassa.

Optisten laitteiden tuottamien hienorakenteisten laserkenttien asianmukaiseksi hallitsemiseksi on välttämätöntä tarkkailla suoraan kvanttirakenteiden, kuten tyhjiökammioiden, sisällä muodostuvia valokuvioita. Diagnostisten kameroiden sijoittaminen tyhjiökammioiden sisään on kuitenkin vaikeaa ja jos aihetta tarkkaillaan etäältä linssien läpi niiden aiheuttamat aberraatiot vääristävät todennäköisimmin mittaustuloksia.

Tutkijat käyttivät luotaimena yhtä optisiin pinsetteihin suljettua rubidium atomia. Skannaamalla atomin sijaintia avaruudellisesti nanometrien tarkkuudella ja mittaamalla sen sisäisten spin-tilojen energiamuutoksia he saivat paikkatietoa valokentästä kussakin atomin paikassa. Mitatuista energiamuutoksista atomin sijainnin funktiona valon intensiteettijakauma visualisoitiin sitten onnistuneesti.

Lisäksi tutkijat keskittyivät siihen, että spinistä riippuva energian muutos ei riipu ainoastaan valon intensiteetistä, vaan myös valon polarisaatiosta. Tätä ominaisuutta hyödyntäen he onnistuivat visualisoimaan polarisaatiojakaumat suoraan.

Tutkimuksessa kehitetty atomikamera tarjoaa uuden mittaustekniikan nanoskaalan optisten rakenteiden suoraan havainnointiin, joihin on ollut vaikea päästä perinteisillä menetelmillä.

Tekniikoiden, joilla voidaan karakterisoida tarkasti mikroskooppisia valokenttiä, odotetaan olevan hyödyllisiä uusille neutraalien atomien kvanttitietokoneille ja -simulaattoreille atomien manipulointiin käytettyjen laserkenttien rakenteiden karakterisoinnissa ja hallinnassa.

Erityisesti koska atomi-kubittien käyttäytyminen riippuu paitsi laserin intensiteetistä myös laserin polarisaatiosta, kyky mitata molempia samanaikaisesti tekee tästä menetelmästä tehokkaan diagnostiikkatyökalun.

Aiheesta aiemmin:

Tutkailla koteloidun elektroniikan sisuksien toimintaa

Tarkkuutta terahertsiseen mittaustekniikkaan