Una nuova tecnica di imaging fornisce agli scienziati per la prima volta la posizione 3D dei singoli atomi all’interno di un reticolo ottico, superando i metodi precedenti che fornivano solo immagini 2D. Sviluppata da un team dell’Università di Bonn, in Germania, e dell’Università di Bristol, nel Regno Unito, la tecnica potrebbe migliorare la precisione dei simulatori quantistici basati sugli atomi e favorire lo sviluppo di nuovi materiali quantistici.

“Ora siamo in grado di scattare una singola istantanea degli atomi in un reticolo ottico e vedere esattamente dove si trovano in tutte e tre le dimensioni”, spiegano Carrie Weidner ed Andrea Alberti, che ha co-guidato lo sviluppo della tecnica. "Le precedenti tecniche di rilevamento ottico si limitavano a scattare foto 'piatte' degli atomi, ma gli atomi non vivono in un mondo piatto."

Gli esperimenti sugli atomi nei reticoli ottici iniziano tipicamente utilizzando la luce laser per raffreddare gli atomi a temperature appena sopra lo zero assoluto. Ciò li rallenta quasi fino a bloccarli e consente loro di rimanere intrappolati in un'onda stazionaria di luce laser: il reticolo. Una volta intrappolati, gli atomi vengono esposti a un ulteriore raggio di luce laser che li rende fluorescenti. Immaginando questa fluorescenza, i ricercatori possono determinare la posizione degli atomi.

Questo processo di imaging è noto come microscopia quantistica di gas ed è stato sviluppato più di dieci anni fa dai fisici Università di Harvard negli Stati Uniti e al Istituto Max Planck di Ottica Quantistica in Germania. Il metodo standard, tuttavia, fornisce solo le coordinate xey di ciascun atomo. Mancavano informazioni sulla posizione degli atomi nella direzione z, cioè sulla loro distanza dall'obiettivo all'interno del sistema di imaging.

Cambio di fase

Il nuovo metodo risolve questo problema prendendo la luce emessa dagli atomi fluorescenti e modificandola prima che raggiunga una telecamera. Più specificamente, il metodo modifica la fase del campo luminoso emesso in modo che l'immagine dell'atomo sembri ruotare nello spazio in funzione della sua posizione lungo la linea di vista del sistema di imaging.

“Invece dei tipici granelli rotondi solitamente prodotti nella microscopia quantistica del gas, il fronte d’onda deformato produce sulla fotocamera una forma a manubrio che ruota su se stessa”, spiega Alberti. "La direzione in cui punta questo manubrio dipende dalla distanza che la luce ha dovuto percorrere dall'atomo alla fotocamera."

Il manubrio agisce quindi un po' come l'ago di una bussola, consentendo ai ricercatori di leggere la coordinata z in base al suo orientamento, aggiunge Dieter Meschede, che dirige il laboratorio di Bonn dove si sono svolti gli esperimenti.

Un'idea con una lunga storia

Secondo Weidner, l'idea originale dello studio è venuta da William Moerner ed Rafael Piestun presso le università di Stanford ed Colorado, rispettivamente. Alberti aggiunge che è “affascinante” che nessun altro avesse pensato prima di utilizzare la fase del campo luminoso per ottenere informazioni sulla posizione z della particella che emette luce. Il controllo della fase del campo luminoso non è certamente una novità, dice.

“In realtà ha una lunga storia: infatti, per ottenere immagini nitide (e non sfocate), tutti i sistemi di imaging ben progettati sono costruiti in modo da rendere la fase di tutti i raggi luminosi che raggiungono la superficie della fotocamera (o la retina nei nostri occhi) la stesso – questo è il famoso principio di Fermat”, spiega. “L’equalizzazione di tutte queste differenze di fase è ciò che corregge le aberrazioni ottiche. Questo è essenzialmente ciò che facciamo quando indossiamo gli occhiali per migliorare la nostra vista”.

Una delle maggiori sfide legate a questa tecnica, aggiunge Alberti, è stata trovare uno sperimentatore capace che potesse lavorare a tempo pieno per portarla a compimento. "Siamo stati fortunati che Tangi Legrand, uno studente del master, abbia deciso di accettare questa sfida", afferma. "Senza di lui, oggi non pubblicheremmo i nostri risultati positivi."

Posizioni precise con una singola immagine

Essere in grado di determinare con precisione le posizioni 3D degli atomi con una singola immagine potrebbe essere utile in diversi contesti. Potrebbe rendere più semplice innescare interazioni specifiche tra gli atomi e potrebbe aiutare gli scienziati a sviluppare nuovi materiali quantistici con caratteristiche speciali. "Potremmo studiare i tipi di effetti quantomeccanici che si verificano quando gli atomi sono disposti in un certo ordine", suggerisce Weidner. “Ciò ci consentirebbe di simulare in una certa misura le proprietà dei materiali tridimensionali senza doverli sintetizzare”.

Un ulteriore vantaggio è che la tecnica, descritta in dettaglio in Revisione fisica A, è molto generale. "Il nostro metodo può essere applicato a molti sistemi, comprese le molecole, gli ioni e, in realtà, qualsiasi emettitore quantistico", afferma Weidner. “Speriamo di vedere questo metodo applicato negli sforzi di simulazione quantistica 3D in tutto il mondo”.

A lungo termine, i ricercatori affermano che il loro “sogno” è quello di ricostruire le posizioni 3D di grandi array contenenti diverse migliaia di atomi. Questi grandi array richiedono un ampio campo visivo, che comporta aberrazioni ottiche, spiegano. "Ci auguriamo che metodi di ricostruzione migliorati siano in grado di affrontare queste aberrazioni e quindi estendere il campo visivo su cui può essere applicata la nostra tecnica", affermano. “Potrebbero anche aiutare a trovare le posizioni 3D degli atomi situati uno sopra l’altro in reticoli più densamente riempiti”.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/