Física

Os pesquisadores produziram redes 3D de átomos presos para possíveis tarefas de computação quântica, mas a tecnologia padrão não permite muito controle sobre o espaçamento dos átomos. Agora, uma equipe criou um novo tipo de rede 3D combinando pinças ópticas – pontos de luz focada que prendem átomos – com um fenômeno óptico conhecido como efeito Talbot [1]. A rede de pinça 3D da equipe possui locais para 10.000 átomos, mas com algumas modificações simples, o sistema pode chegar a 100.000 átomos. Um arranjo de átomos tão grande poderia eventualmente servir como plataforma para um computador quântico com correção de erros.

As redes ópticas 3D existem há décadas. O método padrão para criá-los envolve cruzar seis feixes de laser para gerar um padrão de interferência 3D que prende átomos em pontos de alta ou baixa intensidade (veja Sinopse: Identificando Qubits em uma Malha 3D). Esses sistemas de átomos frios têm sido usados ​​como relógios de precisão e como modelos de sistemas de matéria condensada. No entanto, o espaçamento entre os átomos é fixado pelo comprimento de onda da luz, o que pode limitar o controle que os pesquisadores têm sobre o comportamento atômico.

As pinças ópticas oferecem um método alternativo para capturar e controlar átomos. Para formar um conjunto de pinças, os pesquisadores passam um único feixe de laser através de um conjunto de microlentes (ou dispositivo semelhante) que foca o feixe em um padrão 2D de vários pontos brilhantes. Os átomos são automaticamente atraídos para os centros desses pontos, formando uma matriz em um único plano (ver Ponto de Vista: Átomos Alcalinos Mantidos com Pinças Ópticas). “Levamos essas matrizes de pinças para a terceira dimensão”, diz Malte Schlosser, da Universidade Técnica de Darmstadt, Alemanha.

Para obter uma rede 3D, Schlosser e seus colegas aproveitaram o efeito Talbot, que é um fenômeno de interferência que ocorre quando a luz atinge uma estrutura periódica, como uma rede de difração ou um conjunto de microlentes. A luz que sai da estrutura produz um padrão de interferência 2D de pontos brilhantes a alguma distância fixa além da estrutura, mas também gera planos adicionais de pontos paralelos ao primeiro. O efeito Talbot há muito é considerado um incômodo para a pesquisa de conjuntos de pinças, pois cria pontos brilhantes “extras” que prendem átomos perdidos, o que interfere nas medições. Os pesquisadores transformaram esse “bug em um recurso”, ajustando deliberadamente seu sistema óptico para capturar átomos nos pontos extras brilhantes, explica Schlosser.

Os pesquisadores direcionaram um laser de 800 miliwatts para um conjunto de microlentes, que produziu um conjunto quadrado 2D de armadilhas de 777 átomos no plano focal da lente. Mas graças ao efeito Talbot, esta matriz 2D foi reproduzida em 17 planos paralelos, dando um total de 10.000 armadilhas de átomos. “Esses aviões Talbot são fornecidos gratuitamente, então não precisamos colocar energia laser adicional ou feixes de laser adicionais”, diz Schlosser.

Como demonstração de seu sistema, Schlosser e seus colegas mostraram que poderiam carregar cerca de 50% das armadilhas com átomos de rubídio e induzir uma transição óptica em todos os átomos de uma sub-rede. No futuro, a equipe planeja usar um feixe de laser focado para excitar seletivamente um único átomo. Esse controle óptico poderia permitir aos pesquisadores “ler” o estado do átomo ou colocá-lo no chamado estado de Rydberg, que permitiria que ele interagisse com seus vizinhos. O controle das interações átomo-átomo foi demonstrado anteriormente em matrizes de pinças 2D. Schlosser prevê interações átomo-átomo na rede 3D, mas atualmente o espaçamento entre os planos é muito grande (cerca de 100 µm); seria necessária uma distância de 10 µm ou menos.

Além de reduzir o espaçamento da rede, a equipe planeja explorar outras geometrias de armadilha, como padrões hexagonais que poderiam imitar materiais como o grafeno. Os pesquisadores também estão trabalhando para aumentar a potência do laser. Mais luz aumentará o número de armadilhas na rede. Eles estimam que duplicar a potência forneceria 30 mil armadilhas e que quadruplicá-la deveria produzir perto de 100 mil.