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光学镊子阵列已成为量子计算、量子模拟和量子计量的关键实验平台,实现了对单个原子和分子的前所未有的控制。现有的生成镊子阵列的方法大多依赖于主动光束整形设备,如声光偏转器或液晶空间光调制器。然而,这些方法在阵列几何形状、大小和可扩展性方面存在固有的局限性。在这里,我们展示了通过全息超表面生成的光学镊子阵列中单个原子的捕获。我们实现了二维阵列,其中包含超过250个镊子陷阱,这些陷阱排列成任意几何形状,陷阱间距小至1.5微米。阵列在陷阱深度、陷阱频率和位置精度方面具有高均匀性,媲美或超过现有方法。由于亚微米级的像素大小和高像素密度,全息超表面为具有超过10万个陷阱的光学镊子阵列开辟了道路,促进了需要大规模系统的基于镊子阵列的量子应用。
光学镊子阵列在超冷原子和分子的量子应用控制中引发了革命[1]。它们为量子模拟[2]和量子计算[3, 4]开辟了新天地,包括量子自旋系统的实现[5, 6]、高保真度的瑞德伯量子门[7–9]以及朝着误差校正量子计算迈出的第一步[10]。最近,双物种原子阵列[11, 12]和偶极分子阵列也已被报道[13–15]。光学镊子阵列为量子计量学提供了新的方法,如光学镊子时钟[16, 17],并且在量子光学领域的创新实验中具有巨大潜力,包括腔量子电动力学[18]和关联原子-光子相互作用的探索[19–21]。
生成高质量光学镊子阵列的能力是许多实验的核心要求。一个镊子阵列由多个紧密聚焦的激光束组成,每个激光束形成一个单粒子的陷阱。关键标准包括阵列几何形状的高度灵活性、陷阱均匀性和可扩展性。此外,紧凑性、稳健性和高光学效率是理想的,特别是考虑到将基于镊子的量子设备部署到受控实验室环境之外的前景[22–24]。目前,光学镊子阵列主要通过主动光束整形设备生成,如声光偏转器(AODs)[25, 26]、液晶空间光调制器(SLMs)[27, 28]或数字微镜设备(DMDs)[29]。这些设备需要复杂的控制电子学和具有高数值孔径(NA)的投影光学系统,将镊子阵列投射到超冷原子和分子上。技术复杂性和固有的限制使得阵列的规模被限制在<10,000个陷阱,这已开始对可追求的量子应用提出限制。已探索了替代技术,如振幅掩模[30]和微透镜阵列[31],但有限的光束整形能力使得实现高度均匀的阵列变得具有挑战性。
在近期的研究中[32],我们提出了全息超表面作为生成多功能和可扩展镊子阵列的新方法。超表面是由亚微米像素组成的平面光学器件,可以将任意的相位掩模印刷到入射激光束上[33–35],同时生成和聚焦光学镊子阵列。超表面具有高功率处理能力[36]、衍射极限聚焦能力[37]和全面的偏振控制能力[38, 39]。最近的实验演示了通过AOD生成的3×3镊子阵列中的单原子捕获,并通过超表面透镜聚焦[40];然而,至今尚未实现利用超表面完全光束整形能力的原子镊子阵列——即阵列生成和聚焦。
在这项工作中,我们展示了在超表面光学镊子阵列中捕获单个锶(Sr)原子。我们使用波长为520 nm的激光光源,实现了具有任意几何形状的二维阵列,既有周期性也有非周期性,阵列中包含超过250个陷阱,陷阱间距小至1.5微米。我们发现,陷阱的均匀性与现有最先进的技术相当,并展示了高保真度的单原子制备和探测。本研究中的全息超表面具有亚微米级和亚波长的像素尺寸,为实现超过100,000个陷阱的阵列规模提供了现实路径,从而克服了现有光束整形方法的固有局限性。
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超表面用于光学镊子
超表面已成为操控光波的强大平台[41, 42]。它们通过操控光波前的幅度和相位,在器件平面上实现入射光场的全息控制。超表面由纳米刻蚀的超原子矩阵组成,这些超原子充当控制像素;这些超原子从一个库中选择——这是一个包含不同形状和尺寸的散射体的集合——并被精确定位,以设计出光波前,从而在成像平面中产生所需的图案。每个超原子的宽度和高度约为几百纳米,比它们所操控的光波长要小。超表面可以在毫米到厘米的尺度上制造[43, 44],具有超过10^6个像素。由于超原子的亚波长尺寸,超表面可以实现高空间分辨率和前向散射效率。
图1. 超表面光学镊子阵列及与超冷锶原子的结合。
a,超表面工作原理的示意图。超表面在入射的平行高斯激光束上印刷一个相位图案,并在焦平面上产生一个二维的紧密镊子陷阱阵列。在本研究中,超表面的焦距为0.7毫米,有效数值孔径(NA)大于0.6。
b,(左)包含6个超表面的基板照片,每个超表面具有不同的镊子阵列图案。基板尺寸为20毫米×20毫米,超表面的直径为1.16毫米。
(中)超表面部分区域的扫描电子显微镜图像。
(右)超原子的单位单元大小为290纳米,宽度为100-190纳米,高度为750纳米。它们从预定的库中选择,用来为入射光束引入各种相位延迟,而不改变其幅度。
c,88Sr的能级图,显示与本研究相关的光学跃迁。原子在461纳米的宽跃迁上被冷却和成像,同时使用679纳米和707纳米的再泵浦光。通过在689纳米(线宽为7.5 kHz)的互结合跃线上进行窄线冷却,创建了微开尔文温度下的锶原子样品。d,捕获和成像原子的装置示意图。镊子激光在520纳米处工作。其强度通过声光调制器(AOM)进行调节,然后照射到超表面上。超表面生成并聚焦镊子阵列,阵列通过高数值孔径的显微镜物镜准直,通过1:1望远镜传递,并通过高数值孔径物镜聚焦到超高真空玻璃腔内以捕获原子。在成像过程中,原子的荧光光子通过单光子敏感相机进行检测。
我们使用用于可见光的透射型超表面,工作波长为520纳米(图1a)。这些超表面是仅相位调制的掩模,采用基于Gerchberg-Saxton算法的优化方法设计(详见方法部分)。优化后的超表面编码了一个相位图案,能够同时生成和聚焦镊子阵列。多个超表面被放置在同一个基板上(图1b),通过平移基板可以轻松地在不同的设计及其相关的镊子阵列之间切换。超表面采用标准的洁净室工艺制造,使用富硅氮化硅(SRN)薄膜材料。这种材料因其较高的光学折射率和易于制造的特点而被选中(更多考虑事项见方法部分)。为了最小化对准灵敏度并减轻高斯输入光束在超表面边界的衍射效应,超表面采用圆形足迹制造,并假设入射光为平面波。超表面的直径为1.16毫米和2.32毫米。它们可以承受高达25 W/mm²的光强度而无需主动冷却,具有约60%的衍射效率,并且有效数值孔径(NA)大于0.6。关于超表面全息图的设计与优化、超原子库、洁净室制造过程和光学性能的更多细节,详见方法部分。
光学镊子阵列被投射到超高真空腔室的玻璃腔内(详细信息见方法部分)。投影系统的示意图如图1d所示。在照射超表面之前,一束520纳米的激光通过声光调制器(AOM)进行快速开关和陷阱深度控制。带有超表面的基板安装在一个二维平移平台上,可以在不同阵列几何形状之间快速切换,且重新对准的误差最小。由超表面在焦平面上生成的镊子阵列通过显微镜物镜(NA = 0.6)转换到光学动量空间,再通过1:1望远镜传递,最终通过物镜(NA = 0.5)将其转换回玻璃腔内的镊子阵列。使用AOD、液晶SLM或DMD生成镊子阵列通常需要大直径透镜的减小光学系统,这些透镜容易出现像差。由于超表面的高数值孔径(NA),不需要减小光学系统。从原理上讲,超表面可以直接在其焦平面上捕获原子(例如,通过将其放置在真空腔室内或附近),而无需额外的传递光学系统。
图2. 捕获在超表面生成的光学镊子阵列中的锶原子的荧光图像。每张图像是100个独立图像的平均值,没有奇偶投影。
a,方格阵列,包含256个陷阱,平均间距为4微米。
b,准晶体(Penrose镶嵌)阵列,包含225个陷阱,平均间距为4微米。
c,自由女神像图案,包含183个陷阱,平均间距为3微米。
d,项链图案,包含16个陷阱,平均间距为1.45微米。
我们从一个超冷的88Sr云中将原子加载到超表面光学镊子阵列中。使用标准技术将锶原子冷却到微开尔文温度,这些技术利用了锶原子独特的能级结构(图1c)。随后,通过荧光成像检测捕获的原子(详见方法部分)。图2显示了不同超表面生成的镊子阵列中原子的荧光图像,包括周期性的16×16图案、准晶体图案(Penrose镶嵌)、完全任意图案以及具有微米级近距离镊子间距的项链图案。
图3. 在4×4超表面阵列中的单原子制备与检测。
a,经过奇偶投影后的100张荧光图像的平均值。均匀性表明所有陷阱被填充原子的几率大致相等。
b,(左)单独的荧光图像。陷阱位置通过虚线框表示。
(右)奇偶投影后被占据的站点数量的直方图;陷阱的平均占据率(通过虚线标记)为49(3)%。
c,4×4阵列中陷阱位置的光子计数直方图,如b所示。实验重复500次并取平均。数据能够高保真地区分有一个原子和零原子的站点。虚线标记了阈值,阈值的确定方法详见方法部分。
单原子捕获与成像
我们在4×4超表面阵列中演示了单原子的捕获和检测(见图3)。实现这一过程的步骤对光学镊子势的质量和均匀性非常敏感。阵列的初始加载是统计性的;每个陷阱至少被一个原子占据,但原子的精确数量是随机的。在下一步中,我们执行了奇偶投影:最初具有奇数(偶数)个原子的陷阱被转化为只有一个(没有)原子的站点。这是通过光关联到电子激发的Sr2分子态来实现的,靠近689纳米的原子共振,该过程会导致成对原子丧失[45]。奇偶投影后,49(3)%的陷阱包含一个原子,如图3b所示。
为了确定阵列中的占据情况,我们在461纳米跃迁上进行荧光成像,同时保持原子被捕获。荧光光子通过低噪声相机收集,并评估陷阱位置(见图3b左面板)中的光子数。为了最大化每个原子散射的光子数,我们通过在689纳米的mJ = ±1跃迁上同时进行排斥式Sisyphus冷却[46],以对抗由于在461纳米跃迁上重复光子散射引起的反冲加热。图3c显示了陷阱位置中检测到的光子数的直方图。该直方图显示了两个峰:一个峰位于零光子处,对应于零原子,另一个峰位于约8个光子处,对应于单个原子的存在。单原子峰上方没有光子计数,表明奇偶投影的高效率。零原子峰和单原子峰之间的光子计数表示在520纳米陷阱中成像时锶原子丧失。类似的观察已在文献[47]中报道。我们将这种丧失归因于从3P1态的电离过程,该状态在Sisyphus冷却过程中被激发。在未来的工作中将进一步分析这一过程。对于替代的捕获波长,例如813纳米[48],已知不会出现这种损失。使用一种无模型的方法,通过在短时间内记录两幅荧光图像[49],我们确定成像的保真度为>99.8(5)%(详见方法部分)。
阵列质量的表征
接下来,我们表征了16×16阵列的均匀性。我们使用被捕获的原子作为高度敏感的探针,测量每个陷阱的深度、频率和位置。陷阱深度和频率的高度均匀性确保了阵列中光移和原子在位振动模式的一致性。这些特性对于边带冷却、原子态制备以及光谱敏感操作(如原子量子门和时钟态探测)非常重要。陷阱位置的高精度对于精确控制原子间相互作用是理想的,例如在瑞德伯原子阵列和关联原子-光子相互作用中的应用。
我们通过测量每个镊子中689纳米窄谱Sr互结合跃迁的共振频率来表征陷阱深度的均匀性。由于520纳米捕获光场中1S0态和3P1态之间的差分光移,共振会偏离自由空间的共振。保持整体激光强度不变,通过损失光谱学测量每个陷阱中的689纳米共振频率。从中我们可以确定局部光移,并结合1S0和3P1的极化率,转换为陷阱深度。如图4a所示,我们发现阵列中平均陷阱深度为0.52 mK,标准偏差为7.5%。
个别镊子频率通过参数驱动进行测量,包括径向和轴向方向。镊子光的强度以正弦波方式调制,振幅为5%,持续30毫秒,同时调节调制的频率。通过在两倍陷阱频率处观察到的原子损失,我们可以观察到参数共振。经过阵列平均后,我们测得平均径向(轴向)陷阱频率分别为105 kHz(14 kHz),标准偏差分别为5%(8%)。图4b展示了径向陷阱频率的数据,轴向陷阱频率的数据见扩展数据图7。
图4. 通过原子响应表征超表面阵列的均匀性。使用一个16×16陷阱的方阵,陷阱间距为4微米。对阵列中每个陷阱的均匀性进行表征,内容包括:
a,陷阱深度U,
b,径向陷阱频率νr,
c,陷阱位置(左列)。
右列为每个陷阱观测到的相应量的直方图。
为了表征空间精度,我们将测得的陷阱位置与设计超表面时使用的目标陷阱位置进行比较。通过将每个原子的荧光信号拟合为二维高斯函数,我们提取出镊子位置。意图位置和测量位置之间的定位误差定义为 ∆r = √(∆x² + ∆y²),其中 ∆x(∆y)是x(y)方向的偏差。如图4c所示,我们发现平均偏差为60纳米。与4微米的陷阱间距相比,这对应于1.5%的位置误差。该偏差与Sr的基态振动波函数的范围相当,径向约为30纳米,轴向约为90纳米。
超表面方法的陷阱深度、频率和位置的均匀性与现有技术的性能相当或超过。例如,使用液晶SLM生成的阵列通常具有10%到20%的陷阱深度波动[28, 50, 51],而通过反馈进一步减少这些波动的方法正在积极研究中[52, 53]。对于超表面阵列,我们将剩余的不均匀性归因于光学传递光学系统中的不完美和超原子制造误差,这两者都有相当大的改进空间。在通过传递光学系统之前,我们在超表面的焦平面上测得的强度不均匀性低至4%(详见方法部分)。
超表面光学镊子阵列的可扩展性
在这一部分,我们讨论了超表面光学镊子阵列的可扩展性,并展示了它们的性能与其他基于像素的光束整形设备(如DMD和液晶SLM)的比较。我们发现,像素大小和数量对创建大型且均匀的镊子阵列能力有显著影响。
为了说明这一点,我们首先考虑使用基于像素的设备再现一个简单的透镜,如图5a所示。像素大小用d表示,像素密度为1/d,入射激光束的波长用λ表示。我们首先将球面透镜转化为菲涅尔透镜,通过对其相位轮廓φ(x)进行取模2π操作。当使用基于像素的设备来近似菲涅尔透镜的相位轮廓时,有限的采样限制了可以再现的相位梯度的陡峭度,∂φ/∂x ≲ π/2d。这限制了在透镜边缘再现陡峭相位梯度的能力。较大的像素大小会减少可达到的相位梯度,从而减少设备的可用直径,并有效降低可以实现的数值孔径(NA)。基于这一论点,我们推导出了一个近似的解析表达式,用于给定像素大小时可达到的有效数值孔径,NA = 1/√(1 + (4d/λ)²)(详见方法部分)。在图5b中,我们绘制了在可见光和近红外范围内,几种常见镊子波长下的有效NA,说明相对于激光波长,较小的像素大小可以显著增加有效NA。对于几微米的像素大小(DMD和液晶SLM的典型值),在d ≫ λ的情况下,NA被限制在0.05以下。对于亚波长像素,在d ≲ λ的情况下,可以达到0.5及更高的NA。
图5. 基于像素的光束整形设备的性能。
a,通过不同像素大小(d ≪ λ、d ∼ λ 和 d ≫ λ)近似球面透镜的相位轮廓。对于较大的像素大小,陡峭的相位梯度 ∂φ/∂x 的再现受到限制。这限制了设备的可用直径并降低了有效数值孔径(NA)。
b,通过像素基设备生成的透镜的有效NA,作为像素密度1/d与常见捕获波长λ的函数。虚线垂直线表示d ≪ λ、d ∼ λ 和 d ≫ λ这三种模式的近似分界。黄色星标表示本研究中使用的超表面像素密度。
c,基于像素的光束整形设备的聚焦能力。对于520纳米的激光波长、固定设备分辨率300×300像素和变化的像素密度1/d,生成一个间距为5微米的优化3×3方阵(插图)(更多细节见方法部分)。数据点显示了陷阱的紧密度,通过全宽半最大值(FWHM)测量。误差条显示阵列中的标准偏差。像素密度范围从最先进的液晶SLM(d = 4微米)到本研究中使用的全息超表面(黄色星标,d = 290纳米)。虚线显示了有效NA模型的拟合(更多细节见方法部分)。
d,模拟捕获强度的均匀性,作为陷阱数量的函数,对于设备分辨率从1,000×1,000(浅绿色)到16,000×16,000(深蓝色)像素的方形设备。均匀性定义为100%减去阵列中陷阱强度的标准偏差(以百分比表示)。模拟假设像素大小为d = 290纳米(更多细节见方法部分)。
超越透镜的例子,我们模拟了可以通过基于像素的设备生成的光学镊子阵列(见图5c)。对于较小的像素大小d,可以实现更高的有效数值孔径(NA),因此个别镊子可以更加紧密地聚焦。这提高了个别镊子的质量,并允许超表面在相同区域内容纳更多的镊子陷阱。在一系列模拟中,我们改变像素大小d,但保持设备的像素数为300×300,同时优化相位掩模以在焦平面上生成间距为5微米的3×3方阵陷阱(见方法部分)。如图5c所示,陷阱的全宽半最大值(FWHM)随着像素密度1/d的增加而稳步减小。因此,具有亚波长像素的全息超表面可以生成在焦平面上足够紧凑的光学镊子阵列,适用于直接捕获原子,而像素较大的设备则需要额外的减小光学系统。
由于全息超表面的像素尺寸较小,可以在相对较小的设备面积内容纳大量像素。这是有利的,因为能够生成的高质量陷阱数量与可用像素数量呈正相关。为了量化这种关系,我们考虑了像素数从1,000×1,000(10^6)到16,000×16,000(256×10^6)的设备,并研究了陷阱强度在阵列中的均匀性,作为陷阱数量的函数(见方法部分)。
图5d中的结果表明,对于固定的像素数量,当所需的陷阱数量增加时,均匀性单调下降。结果还表明一个经验法则,即每生成一个高质量的镊子陷阱,阵列中大约需要300个像素。例如,使用4000×4000像素的高端SLM所能生成的高度均匀(均匀性>95%)的镊子陷阱数量将受到根本限制,约为50,000个;而本研究中的2.32毫米超表面包含约8000×8000像素,可以创建200,000个高度均匀的镊子陷阱,前提是提供足够的激光功率。
结论
在本研究中,我们展示了在超表面光学镊子阵列中捕获单个原子。我们展示了阵列的均匀性与现有方法实现的均匀性相当;预计通过优化制造和系统集成可以进一步改善。由于亚波长的像素尺寸,全息超表面可以达到较高的有效数值孔径(NA)。这使得在超表面焦平面上生成紧密聚焦的镊子阵列成为可能,从而实现无需减小光学系统或传递光学系统的原子直接捕获。由于高像素数量[44]和高功率处理能力[36],超表面提供了实现超过100,000个站点的原子镊子阵列的现实路径,克服了现有方法的固有局限性。这满足了量子模拟、量子计算、量子传感和基于原子阵列的光学时钟等未来应用的关键需求。
我们设想超表面光学镊子阵列平台的未来扩展。通过将此处展示的静态阵列与动态排序光束结合起来,将能够重新排列原子并创建满布阵列。此外,超表面可以以多种方式进行功能化:共振超表面[54]可以设计为仅在狭窄的光谱带内对光 impart相位图案。这将使得通过多个超表面组成的超表面堆栈成为可能,用于不同的光谱带,从而可以生成、排序和成像原子阵列。此外,超表面还可以设计为在不同波长下产生完全相同的阵列图案,这对于单物种和双物种原子镊子系统[11, 12]可能是有用的。进一步地,偏振敏感超表面提供了一个额外的调节旋钮[32]。最后,超表面的被动稳定性和紧凑性为可现场部署的原子镊子量子设备提供了一个坚固的平台。
关于我们:
OMeda成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合)等领域拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务
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OMeda(上海奥麦达微)成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合,键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学,激光器,光子集成电路,Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。