[论文解读] Large-scale multilayer architecture of single-atom arrays with individual addressability

Malte Schlosser, Sascha Tichelmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Cold Atom Physics and Bose-Einstein Condensates被引用 6

一句话总结

本文提出了一种利用微透镜阵列生成的塔尔博特定律光学晶格实现的大规模三维多层单原子阵列结构，可在多个平面实现单个原子的独立寻址与无缺陷阵列组装。该方法利用单束光照射下微透镜阵列的自成像特性，创建可扩展、波长无关的三维晶格，无需额外资源，成功实现了多个塔尔博特定律平面上铷原子的捕获、成像及动态子晶格寻址。

ABSTRACT

We report on the realization of large-scale 3D multilayer configurations of planar arrays of individual neutral atoms with immediate applications in quantum science and technology: a microlens-generated Talbot optical lattice In this novel platform, the single-beam illumination of a microlens array constitutes a structurally robust and wavelength-universal method for the realization of 3D atom arrays with favourable scaling properties due to the inherent self-imaging of the focal structure. Thus, 3D scaling comes without the requirement of extra resources. We demonstrate the trapping and imaging of individual rubidium atoms and the in-plane assembly of defect-free single-atom arrays in several Talbot planes. We present interleaved lattices with dynamic position control and parallelized sub-lattice addressing of spin states.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展、结构坚固的方法，用于构建大规模三维单个中性原子阵列。
• 实现在多层原子阵列中对单个原子的独立寻址与自旋态动态控制。
• 通过消除对额外光学资源的需求，克服超冷原子系统在三维扩展中的限制。
• 展示在多个塔尔博特定律平面上实现无缺陷的平面内组装与并行子晶格寻址。

提出的方法

• 利用微透镜阵列通过单束光照射生成塔尔博特定律光学晶格，实现焦点结构的自成像。
• 利用微透镜阵列固有的自成像特性，在无需外部相位调控的情况下创建周期性三维捕获势阱。
• 采用单束光照射以实现波长通用性，兼容多种原子种类。
• 通过原位成像验证多个塔尔博特定律平面上单个原子的捕获与阵列保真度。
• 实施动态位置控制与并行子晶格寻址，以实现自旋态调控。
• 通过微透镜阵列焦点结构的内在可扩展性，实现可扩展的三维原子阵列形成。

实验结果

研究问题

• RQ1 单束光、基于微透镜的方法能否实现可扩展的三维多层单个中性原子阵列？
• RQ2 微透镜阵列的自成像特性如何支持无缺陷三维原子晶格的形成？
• RQ3 在多个塔尔博特定律平面上，对单个原子的寻址与控制程度如何？
• RQ4 能否在三维多层结构中实现动态位置控制与并行子晶格寻址？

主要发现

• 微透镜生成的塔尔博特定律晶格可实现大规模三维多层单个铷原子阵列，且结构坚固。
• 通过平面内控制，成功在多个塔尔博特定律平面上组装了无缺陷的单原子阵列。
• 在多个塔尔博特定律平面上稳定捕获并成像了单个原子，证实了阵列的保真度。
• 展示了具有动态位置控制的交错晶格，实现了对原子位置的精确操控。
• 实现了自旋态的并行子晶格寻址，可对不同的原子子晶格实施控制。
• 由于微透镜阵列的固有自成像特性，该方法展现出良好的可扩展性，且在三维扩展中无需额外光学资源。