众所皆知原子难以控制，就算接近绝对零度仍会抖动，但科学家仍需尝试捕获并操纵单原子，以让原子钟或量子计算机等设备正常运行。近日，美国国家标准暨技术研究院（NIST）团队设计出一种新型光钳，表面镶嵌数百万个微小柱子，进一步扩大设备将能同时捕获上百个单原子。
观察和操作单个原子非常棘手，1960年代激光发明让人们意识到可利用光的辐射压来捕获粒子甚至活细菌。1986年，Arthur Ashkin开发出把激光光束当作筷子来“夹取”原子的工具“光钳（optical tweezers，也称光镊）”，他也因此获得2018年诺贝尔物理学奖。
如果可以在大型数组内控制单个原子，它们就可以成为微小的离散消息单元，以远高于最快超级计算机的速度进行计算，但过去，光钳无法在真空操作的显微镜系统中对原子进行成像。近日，美国国家标准暨技术研究院（NIST）与JILA的科学家开发出一种新型光钳，可以解决这些问题。
新光钳使用一块4毫米玻璃，上面刻有数百万根数百纳米高的微小硅柱以形成超表面，当激光光撞击表面，纳米柱能将光波转为更小且略微不同步的“小波（wavelets）”，这些小波相互结合或“干扰”会将能量集中在一个特定位置──要被捕获的原子位置。通过使用不同角度的激光光撞击超表面，小波可聚焦到不同的点，点上的原子将被困住。
测试中团队捕获了9个铷原子，且每个原子被困在表面约10秒，足以研究粒子的量子力学特性并使用它们来存储量子消息；超表面结构也可以反向工作，收集原子发出的光并将其引导到用于对原子成像的外部相机。
此外，由微小透镜引导的偏振光可以导致原子自旋──类似地球绕轴自转的量子属性但指向特定方向，研究人员表示，新光钳未来可扩大或组合多个超表面工作，使它们有机会一次捕捉并操纵数百个原子，应用于量子计算机领域。
新论文发布在《PRX Quantum》期刊。
（首图来源：NIST）