“光學鑷子”–聚焦光線以捕獲和操縱單個原子的系統–可以為強大的量子設備鋪平道路，但它們可能有點麻煩。研究人員現在已經開發出一種簡化的、更小的光學鑷子設計，它使用一個鑲嵌著數百萬個微小支柱的元表面透鏡。

鑑於其微小的尺寸，單個原子是出了名得難以看到和操縱，但找到這樣做的方法將是非常有用的。20世紀60年代激光器的發明最終使人們認識到，其可以利用光的輻射壓力來捕獲粒子、原子甚至是活的細菌。到20世紀80年代，光學鑷子誕生了，為其創造者贏得了2018年諾貝爾物理學獎。

儘管這些“光的工具”一直很強大，但它們需要相對較大的厘米級透鏡並使用單獨的顯微鏡系統對原子進行成像，這些系統不能在原子最初被保存和困住的真空中運行。但為了這項新研究，美國國家標準與技術研究所(NIST)和JILA的科學家開發了一種新型的光學鑷子來解決了這兩個問題。

新的設計使用了一個4毫米的方形玻璃，上面蝕刻了微小的矽柱，每個矽柱有幾百納米高。這就形成了一個元表面，它能精確地調整進入的激光，然後將其聚焦在真空中的原子云上挑出一個原子並進行捕獲。

該系統以一種相當聰明的方式工作。首先，激光是以平面波的形式發射的，這意味著它能以一系列平板的形式傳播。當這些薄片撞擊到元表面時，納米柱將光波轉化為更小的“小波”，這些小波彼此之間略微不同步，因此它們在不同的時間達到它們的峰值。這種結構導緻小波相互干擾並有效地將它們的所有能量集中到一個非常細的點上–而恰好在該點上的原子將被困住。

通過用來自不同角度的平面波撞擊元表面，小波可以被集中到不同的點上，這使得鑷子可以同時捕獲幾個單獨的原子。跟現有的系統不同，這可以在存放目標原子的真空室中完成且不需要任何移動部件。

在測試中，該團隊通過分別捕獲9個銣原子並在每個原子上保持大約10秒鐘來展示元表面。研究人員通過用一個單獨的光源照射它們來追踪被困住的原子，這顯示了他們新系統的另一個優勢：元表面基本上也可以反向工作、收集原子發出的熒光並將其引導到一個外部相機中從而對原子進行成像。

研究人員稱，這個新系統可以通過更大的視野或多個元表面協同工作來擴大規模，這使得他們有可能同時捕獲和操縱數百個原子。這可能構成量子計算機存儲器的基礎，其中數據被處理並存儲在每個原子的量子狀態中。