Kvantni uređaji poput atomskog sata ili kvantnog računala ne mogu ispravno funkcionirati ako pojedinačni atomi ne mogu biti uhvaćeni i ‘manipulirani’.
‘Zarobljavanje’ atoma
Fizičari su razvili novu optičku ‘pincetu’ koja po prvi put hvata pojedinačne atome. Nema sumnje da je atome teško kontrolirati. Međutim, znanstvenici moraju uhvatiti i manipulirati pojedinačnim atomima kako bi upravljali kvantnim uređajima, poput kvantnih računala i atomskih satova.
No atomi se – dakako – odupiru ovom zarobljavanju budući da se ‘vole kretati’ slobodno. Zbog toga je atomima teško rukovati i uspijevaju pobjeći čak i iz najsnažnijih spremnika i podrhtavati čak i na temperaturama blizu apsolutne nule. U suštini mogli bismo reći da su prilično buntovni.
Atomi su građevni blokovi svemira i svega osim energije. U prošlosti se vjerovalo da su atomi najsitnije stvari u svemiru koje se ne mogu podijeliti. Izraz „atom“ dolazi od grčke riječi za nešto nedjeljivo. No kao što danas znamo atomi se sastoje od tri subatomske čestice: protona, neutrona i elektrona, a one pak sve sadrže još manje čestice koje se nazivaju kvarkovi.
Zašto ‘zarobiti’ atome?
Mogućnost povezivanja i kontrole pojedinačnih atoma u velikim nizovima može nam omogućiti da ih koristimo kao kvantne bitove – sićušne diskretne jedinice informacija koje se na kraju mogu koristiti za izvođenje izračuna brže od najbržih superračunala. Dakle, kontroliranje ‘buntovnih’ atoma nešto je što znanstvenici moraju i žele postići.
Istraživači s NIST-a i JILA-e — zajedničkog instituta Sveučilišta Colorado i NIST-a u Boulderu — sada su po prvi puta pokazali su da se atomi mogu uhvatiti u zamku pomoću nove minijaturizirane verzije ‘optičkih pinceta’ – sustava koji hvata atome laserskim zrakama kao štapićima za jelo.
Optičke pincete – izum za koji je 2018. godine dodijeljena i Nobelova nagrada za fiziku – u suštini su leće ili mikroskopski objektivi koji razdvajaju pojedinačne atome od okolnog vakuuma.
Nekonvencionalna metoda ‘hvataljke’
Tim NIST-a upotrijebio je nekonvencionalnu optiku umjesto leća – četvrtastu staklenu pločicu s utisnutim milijunima stupova visine samo nekoliko stotina nanometara koji zajedno funkcioniraju kao malene leće. Koristeći te metapovršine laserska se svjetlost fokusira u paru omogućujući pojedinačnim atomima da budu zarobljeni, manipulirani i snimljeni.
U proces je uključeno nekoliko koraka. U početku, ravni valovi svjetlosti pogađaju skupine nanostupova koji imaju posebno jednostavan oblik – tj. ravni valovi se ponašaju kao niz paralelnih slojeva svjetlosti s jednolikom valnom frontom ili fazom. Njihove oscilacije ostaju sinkronizirane dok putuju i ne razilaze se niti konvergiraju. Međutim, u prisutnosti nanostupova, ravni valovi se transformiraju u valove koji su pomalo neusklađen sa sljedećim valom, a rezultat je da susjedni valovi dosegnu svoje vrhunce malo u različito vrijeme.
Kako se ovi valovi kombiniraju ili interferiraju jedan s drugim, sva njihova energija koncentrirana je u jednoj točki – položaju zarobljenog atoma. Niz neovisnih atoma može biti zarobljen ovisno o kutu pod kojim ravni valovi svjetlosti pogađaju nanostupove. To omogućuje optičkom sustavu da uhvati atome koji se nalaze na malo drugačijim mjestima u nanostupovima.
Važnost i značaj nove studije
Nova studija koju je tim objavio opisuje proces koji je uključen u projektiranje, izradu i testiranje metapovršina i izvođenje eksperimenata hvatanja jednog atoma. Istraživači su izvijestili da su u zasebne spremnike uspješno uhvatili devet pojedinačnih atoma, a predviđaju da bi se stotine pojedinačnih atoma moglo zadržati povećanjem opsega i korištenjem višestrukih metapovršina ili optičkog sustava s velikim vidnim poljem. Atomi su uspješno zarobljeni na 10 sekundi što je omogućilo testiranje njihovih kvantno mehaničkih svojstava i pohranjivanje kvantnih informacija.
Ovo istraživanje moglo bi biti prvi korak prema procesu rutinskog hvatanja niza atoma – nešto čemu, kao što smo već rekli, znanstvenici teže i žele postići!
Obilježili smo rekordno najkraći dan na Zemlji
Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram
Pozdrav svima! Hvala što čitate Kozmos.hr! Ja sam Ivan i dugi niz godina pišem o svermiu, astronomiji, znanosti, povijesti i arheologiji, a imao sam priliku sudjelovati i u dokumentarcima Science Discovery-ja te History Channel-a.
