Cu ajutorul laserelor, oamenii de știință pot aduce temperatura atomilor foarte aproape de zero absolut. Deoarece mișcarea acestor atomi este încetinită foarte mult, proprietățile lor pot fi ușor măsurate. Acest lucru poate fi utilizat pentru realizarea de ceasuri atomice, sisteme de navigație și pentru efectuarea unor măsurări din ce în ce mai precise ale Pământului. Totuși, pentru a răci atomii și a-i menține închiși este nevoie, de obicei, de un aparat montat pe o masă, astfel ceasurile și dispozitivele de navigație tind să funcționeze doar în cadrul laboratoarelor.
În prezent, oamenii de știință lucrează la o modalitate de a schimba acest lucru. Cercetătorii din cadrul Institutului Național pentru Standarde și Tehnologie din SUA (NIST) au construit un dispozitiv portabil, care poate captura atomii într-un câmp magnetic și îi poate răci la temperaturi mai mici de un milikelvin. Dispozitivul miniaturizat de către NIST ar putea ajuta la implementarea acestor atomi în cadrul cipurilor comerciale.
„Acest vis există de la începutul anilor 2000. Încă de atunci se dorește implementarea răcirii cu laser din cadrul laboratoarelor în zona comercială”, a declarat William McGehee, cercetător în cadrul NIST, care a ajutat la construirea dispozitivului.
Oamenii de știință folosesc răcirea cu laser de zeci de ani. Fenomenul ar putea părea contraintuitiv, dar dacă lumina unui laser este reglată la frecvența corectă și dacă fotonii fasciculului laser lovesc un atom frontal, atomul poate absorbi acel foton și poate încetini. Acest fenomen diminuează o parte din energia atomului, provocându-se răcirea acestuia. Bombardând, în mod repetat, un nor de atomi, oamenii de știință pot scădea temperatura acestora până la milionimi de grad peste zero absolut.
Răcirea cu laser a fost modul în care fizicienii au creat o stare exotică a materiei, denumită Condensat Bose-Einstein, care a câștigat Premiul Nobel pentru fizică în anul 2001. Totuși, acești atomi pot avea mult mai multe aplicații. Față de utilizarea lor în ceasuri și dispozitive de navigație, aceștia sunt ideali pentru calculatoarele cuantice și pentru conectarea lor la rețele cuantice.
Acesta a fost motivul care i-a motivat pe cercetătorii din cadrul NIST să găsească metode de răcire cu laser mai adecvate. În prezent, există și alte dispozitive compacte ce utilizează tehnici de răcire cu laser, dar acestea sunt dificil de produs în masă. „Dacă doriți să creați, de exemplu, o sută de mii de noduri ale unei rețele cuantice, nu puteți lua ceva care este doar o versiune în miniatură a ceea ce stă pe un banc optic și să confecționați o sută de mii de exemplare”, a declarat McGehee.
Dispozitivul dezvoltat de echipa de cercetători din cadrul NIST, are o lungime de aproximativ 15 centimetri și este format din trei părți. Prima componentă este un circuit fotonic integrat care produce un fascicul laser. Totuși, acel fascicul este prea subțire, așa că trece prin a doua zonă, o metasuprafață ce prezintă o serie de coloane de siliciu care acționează ca o prismă, mărind fasciculul. De asemenea, metasuprafața controlează luminozitatea fasciculului, împiedicându-l să fie mai intens în centru și polarizează lumina, ceea ce este un lucru important în ceea ce privește răcirea atomilor.
Al treilea element este un grilaj de difracție care împarte fasciculul mărit în mai multe fascicule care lovesc atomii din toate părțile. Aceste fascicule, răcesc atomii cu ajutorul unui câmp magnetic și îi direcționează către o „cușcă”, care are o lățime de aproximativ un centimetru. Cu ajutorul acestei cuști, cercetătorii din cadrul NIST au reușit să răcească atomii de rubidiu până la o temperatură de aproximativ 200 de microkelvini.
Atât dispozitivul, cât și componentele acestuia sunt plate, permițându-le să fie dispuse în paralel, deasupra unui cip mai mare. Această dispunere face posibilă fabricarea și plasarea acestor componente alături de dispozitive CMOS tradiționale.
„Această cercetare demonstrează, în mod clar, modul în care sistemele atomice pot fi asamblate folosind o optică integrată pe un cip și alte componente compacte și fiabile”, a declarat Chris Monroe, cofondator și om de știință în cadrul IonQ, o companie specializată în utilizarea tehnologiei similare pentru construirea de computere cuantice.
Totuși, dispozitivul dezvoltat de NIST nu este perfect. „Laserele de răcire integrate în cadrul acestora nu vor putea avea aceeași eficiență ca cele folosite în laborator,” a declarat McGehee. În plus, pentru moment, producătorii nu vor putea produce dispozitive cu atomi răciți. Înainte ca acest lucru să se poată întâmpla, dispozitivul NIST va trebui să aibă dimensiuni și mai reduse, de aproximativ 10-20 mai mici decât dimensiunea sa actuală. Totuși, acesta este un obiectiv pe care McGehee îl consideră realizabil.
