Американские физики изготовили кремниевую металинзу для нужд оптических пинцетов и решеток. Созданный образец лишь слегка уступает характеристикам своим традиционным аналогам, но гораздо компактнее их. Кроме того, новый оптический элемент не только фокусирует свет для создания оптической решетки, но и собирает сигнал флуоресценции от нейтральных атомов, пойманных в них, что поможет в будущем миниатюризировать технологию пленения.

Исследование опубликовано в PRX Quantum.

Массивы нейтральных атомов играют важную роль в достижениях современной физики. Их используют для создания квантовых вычислителей и атомных часов, исследования новых эффектов в квантовых газах и даже поатомной сборки ультрахолодных молекул. В то же время растет и количество элементов таблицы Менделеева, с которыми удалось провести пленение.

Несмотря на нулевой заряд нейтральных атомов, их захват все же возможен с помощью сфокусированного лазерного света. В основе пленения лежит зависимость энергии атома от величины поля, в котором он находится. Если с ростом его напряженности энергия падает, это создает потенциальную яму в точке фокуса.

В зависимости от конкретной задачи это могут быть одиночные оптические ловушки (оптические пинцеты) или их упорядоченный массив (оптические решетки). В последнем случае задача усложняется необходимостью пространственно модулировать лазерный луч, фокусируя его отдельные части. Традиционная оптика, основанная на линзах сантиметрового размера, имеет ограничения, мешающие масштабированию и миниатюризации систем на основе плененных нейтральных атомов.

Альтернативой ей могли бы стать метаповерхности и металинзы. Работоспособность этого подхода продемонстрировала группа американских физиков при участии Синди Регал (Cindy Regal) из Объединенного института лабораторной астрофизики (JILA). Они изготовили металинзу, которая фокусирует лазерный свет в пятно, способное пленить нейтральный атом, а также позволяет создавать оптические решетки с помощью нескольких лучей, падающих на нее под различными углами. Оказалось, что созданная металинза способна не только пленять атомы, но и собирать свет, который они излучают.

Принцип, по которому обычные линзы собирают или рассеивают свет, основан на том, что скорость света в среде, из которого линза сделана, меньше, чем в вакууме или воздухе. Из-за этого свет от плоской волны, прошедший через середину собирающей линзы, отстает по фазе от света, прошедшего через его края. Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, такая ситуация создает сходящийся волновой фронт, что соответствует фокусировке.

В плоских металинзах используется другой механизм. Они, как правило, состоят из металлических и диэлектрических наноструктур, чьи размеры и свойства меняются в плоскости металинзы. От них, в свою очередь, зависит частота резонанса. Взаимодействие плоского света с разными участками металинзы приводит к различному фазовому сдвигу проходящей волны. Это означает, что за счет правильного расположения наноэлементов, можно конструировать волновые фронты любой сложности, в том числе и сходящиеся.

Авторы изготавливали свою линзу из массивов наностержней из аморфоного кремния с переменной толщиной, уложенными согласно расчетам на стеклянной подложке в квадрат со стороной, равной четырем миллиметрам. Выбор материалов был обусловлен их устойчивостью к сверхвысокому вакууму и высоким температурам. Заданная физиками конструкция металинзы была оптимизирована для длины волны 852 нанометра, что позволяло получать пятно диаметром 0,72 микрометра с фокусным расстоянием, равным трем миллиметрам, и числовой апертурой, равной 0,55. Свет с длиной волны 780 нанометров фокусировался в несколько большее пятно диаметром 1,1 микрометра.

Для того, чтобы проверить, насколько хорошо свет на длине волны 852 нанометра, пропущенный через такую линзу, пленяет атомы, физики фокусировали его на облако холодных атомов рубидия, заключенных в дополнительную магнитооптическую ловушку. После ее выключения в фокусе пучка с вероятностью 52 процента захватывался один атом и удерживался там около 10 секунд.

С помощью акустооптического модулятора исследователи расщепляли пучок света на несколько лучей, падающих на металинзу под слегка отличающимися углами, что создавало в фокальной плоскости оптическую решетку. Ученые визуализировали захваченные атомы, заставляя рубидий флуоресцировать на длине волны 780 нанометров. Оказалось, что изготовленная металинза пригодна также и для сбора этого света, который они впоследствии отфильтровывали и передавали на цифровую камеру, получая изображение атомных массивов.

(a) СЭМ-изображение металинзы, состоящей из кремниевых наностержней, расположенных на стеклянной подложке. (b) Построение Гюйгенса для металинзы, иллюстрирующее ее фокусирующие свойства. © Схема эксперимента по пленению и визуализации нейтральных атомов рубидия. (d) Изображение массива атомов, полученное усреднением по ста повторам эксперимента. / T.-W. Hsu et al. / PRX Quantum, 2022

По оценкам автором созданный ими оптический элемент лишь немного уступает более традиционным аналогам, используемым для фокусировки света в оптических ловушках. Вместе с тем, металинза обладает гораздо большей компактностью и способна собирать сигнал флуоресценции, что выглядит очень перспективным для миниатюризации экспериментов с пойманными нейтральными атомами.