Магнито-оптическая ловушка на основе метаповерхности, смогла локализовать 10 миллионов атомов и охлаждить их до 35 микрокельвин. Чип из метаметриалов, разработанный учеными, может заменить громоздкие и сложные оптические схемы для создания магнито-оптических ловушек. Работа опубликована в Science Advances.

Локализация атомов делает их удобным инструментом для создания квантовых сенсоров или проведения вычислений. Именно поэтому ученые очень любят строить для них ловушки. Самый популярный вариант такой ловушки — магнито-оптическая.

Магнито-оптические ловушки используются для лазерного охлаждения и магнито-оптического захвата групп атомов. Для охлаждения частота лазерных пучков в ловушке должна быть немного «отстроена» от резонанса поглощения атома. Энергия фотонов, которые летят навстречу атома меньше, чем атомный переход. За счет эффекта Доплера они достраиваются в резонанс, поглощаются и переизлучаются, но уже на частоте перехода. Небольшое отличие в частоте выкачивает кинетическую энергию из системы, а значит, охлаждает ее. А магнитное поле катушек помогает свету направить атомы в центр ловушки и удерживать их там.

Ученые под руководством Guixin Li из Южного университета науки и технологий рассчитали и изготовили чип с метаповерхностью, которая превращает лазерный луч сразу в пять пучков (шестой получается отражением проходящего пучка от зеркала).

Эти пучки направлены таким образом, чтобы зафиксировать атомы по трем осям. То есть вместо большого числа оптических элементов можно использовать один компактный чип. Кроме того, не нужно отдельно настраивать каждый из пучков лазера или использовать несколько лазеров, что сильно облегчает эксперименты по захвату атомов. Помимо этого новая метаповерхность позволяет получать круговую поляризацию пучков, которые задерживают атом в ловушке.

(a) структура мета-атома, (b) эффективность преобразований поляризации для разных длин волн падающего пучка, © структура метаповерхности исходя из расчетов, (d) изображение реальной структуры в электронном микроскопе. / Guixin Li et Al./ Science Advances, 2020

Cам чип представляет собой стеклянную подложку, на которой периодично расположены наночешуйки из аморфного кремния — вытянутые по направлению от поверхности параллелепипеды. Взаимное расположение этих наночешуек позволяет получать желаемые направления и поляризации выходящих пучков.

В данной работе входящий циркулярно поляризованный пучок делится на пять других одинаковой интенсивности и тоже циркулярно поляризованных. Направление одного из них совпадает с направлением падающего луча, а четыре остальных отклоняются в разных направлениях. Моделирование чипа позволило авторам подобрать конфигурацию поверхности так, чтобы поляризация четырех отклоненных лучей менялась с левой циркулярной на правую циркулярную или наоборот.

Работоспособность структуры проверяли на атомах Рубидия-87. Ловушка на ее основе смогла захватить 10 миллионов атомов. Это не предел — число атомов в ловушке можно увеличить, если использовать больший диаметр пучка. В текущем эксперименте, диаметр пучка был ограничен размером чипа с метаповерхностью.

Самый важный параметр магнито-оптической ловушки — это температура, до которой получилось охладить атомы. Она показывает насколько хорошо ученые захватили их. Поэтому температуры определялись по тому, насколько быстро расплывается облако атомов из ловушки после ее выключения. В данной работе температура атомов составила около 35 микрокельвин. Этих значений уже достаточно, чтобы использовать такие чипы для широкополосных атомных интерферометров и в процессе получения конденсатов Бозе-Эйнштейна.