Магніто-оптична пастка на основі метаповерхності, змогла локалізувати 10 мільйонів атомів і охолодити їх до 35 мікрокельвін. Чіп з метаматеріалів, розроблений вченими, може замінити громіздкі і складні оптичні схеми для створення магніто-оптичних пасток. Робота опублікована в.
Локалізація атомів робить їх зручним інструментом для створення квантових сенсорів або проведення обчислень. Саме тому вчені дуже люблять будувати для них пастки. Найпопулярніший варіант такої пастки - магніто-оптична.
Магніто-оптичні пастки використовуються для лазерного охолодження і магніто-оптичного захоплення груп атомів. Для охолодження частота лазерних пучків у пастці повинна бути трохи «відбудована» від резонансу поглинання атома. Енергія фотонів, які летять назустріч атому менше, ніж атомний перехід. За рахунок ефекту Доплера вони добудовуються в резонанс, поглинаються і перевипромінюються, але вже на частоті переходу. Невелика відмінність в частоті викачує кінетичну енергію з системи, а значить, охолоджує її. А магнітне поле котушок допомагає світлу направити атоми в центр пастки і утримувати їх там.
Вчені під керівництвом Guixin Li з Південного університету науки і технологій розрахували і виготовили чіп з метаповерхністю, яка перетворює лазерний промінь відразу в п'ять пучків (шостий виходить відображенням проходить пучка від дзеркала). Ці пучки спрямовані таким чином, щоб зафіксувати атоми по трьох осях. Тобто замість великої кількості оптичних елементів можна використовувати один компактний чіп. Крім того, не потрібно окремо налаштовувати кожен з пучків лазера або використовувати кілька лазерів, що сильно полегшує експерименти із захоплення атомів. Крім цього нова метаповерхність дозволяє отримувати кругову поляризацію пучків, які затримують атом у пастці.
Сам чіп являє собою скляну підкладку, на якій періодично розташовані наночешуйки з аморфного кремнію - витягнуті у напрямку від поверхні паралелепіпеди. Взаємне розташування цих наночешуйок дозволяє отримувати бажані напрямки і поляризації вихідних пучків. У цій роботі поляризований пучок, що входить циркулярно, ділиться на п'ять інших однакової інтенсивності і теж циркулярно поляризованих. Напрямок одного з них збігається з напрямком падаючого променя, а чотири інших відхиляються в різних напрямках. Моделювання чіпа дозволило авторам підібрати конфігурацію поверхні так, щоб поляризація чотирьох відхилених променів змінювалася з лівої циркулярної на праву циркулярну або навпаки.
Працездатність структури перевіряли на атомах Рубідія-87. Пастка на її основі змогла захопити 10 мільйонів атомів. Це не межа - число атомів у пастці можна збільшити, якщо використовувати більший діаметр пучка. У поточному експерименті діаметр пучка був обмежений розміром чіпа з метаповерхністю.
Найважливіший параметр магніто-оптичної пастки - це температура, до якої вийшло охолодити атоми. Вона показує наскільки добре вчені захопили їх. Тому температури визначалися по тому, наскільки швидко розпливається хмара атомів з пастки після її вимкнення. У цій роботі температура атомів становила близько 35 мікрокельвін. Цих значень вже достатньо, щоб використовувати такі чіпи для широкосмугових атомних інтерферометрів і в процесі отримання конденсатів Бозе-Ейнштейна.
Метаматеріали стають все більш популярні в різних галузях науки. Наприклад, китайські фізики змогли посилити амплітуду коливань поверхні води і сконцентрувати енергію океанських хвиль за допомогою «лінзи» з метаматеріалів. А вчені з Великобританії і Тайваню сформували з електромагнітних полів «літаючі пончики».