EP-4737980-A1 - OPTICAL DEVICE FOR MANIPULATING AN ATOM OR OBJECT

Abstract

Eine optische Vorrichtung (10) zum Manipulieren eines Atoms oder eines Objekts umfasst eine Lichtquelle (12) zum Aussenden eines kurzwelligen elektromagnetischen Strahls (20); und ein bewegbares optisches Element (30) zur Beeinflussung des Strahls (20); dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) eine 3D-Beweglichkeit aufweist; der Strahl (20) der Lichtquelle (12) zu dem optischen Element (30) gelenkt wird und im Strahlengang danach in einem Fokuspunkt (40) fokussiert wird; wobei das optische Element (30) derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass durch die Bewegung des optischen Elements (30) der Fokuspunkt (40) verschiebbar ist und eine räumliche Manipulation des Atoms oder Objekts in einer Umgebung (42) um den Fokuspunkt (40) bewirkt wird.

Inventors

• Widera, Artur
• OTT, HERWIG
• NIEDERPRÜM, Thomas

Assignees

• Rheinland-Pfälzische Technische Universität Kaiserslautern-Landau

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20251022

Claims (20)

1. Optische Vorrichtung (10) zum Manipulieren eines Atoms oder eines Objekts umfassend - eine Lichtquelle (12) zum Aussenden eines kurzwelligen elektromagnetischen Strahls (20); und - ein bewegbares optisches Element (30) zur Beeinflussung des Strahls (20); dadurch gekennzeichnet, dass - das optische Element (30) eine 3D-Beweglichkeit aufweist; - der Strahl (20) der Lichtquelle (12) zu dem optischen Element (30) gelenkt wird und im Strahlengang danach in einem Fokuspunkt (40) fokussiert wird; - wobei das optische Element (30) derart eingerichtet und ausgebildet ist, dass durch die Bewegung des optischen Elements (30) der Fokuspunkt (40) verschiebbar ist und eine räumliche Manipulation des Atoms oder Objekts in einer Umgebung (42) um den Fokuspunkt (40) bewirkt wird.
2. Vorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang zwischen dem optischen Element (30) und dem Fokuspunkt (40) eine Objektivlinse (18) angeordnet ist und/oder im Strahlengang zwischen Lichtquelle (12) und optischem Element (30) eine Linse (16) angeordnet ist.
3. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Fokuspunkt (40) in der räumlichen Ausdehnung des Atoms oder des Objekts liegt.
4. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) ein Laser (14) ist und der kurzwellige elektromagnetische Strahl (20) ein Laserstrahl (22) ist, wobei der Laserstrahl (22) bevorzugt eine Wellenlänge zwischen 200 Nanometern und 11 Mikrometern aufweist, besonders bevorzugt zwischen 270 Nanometern und 1100 Nanometern.
5. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die 3D-Beweglichkeit des optischen Elements (30) in alle Raumrichtungen derart gegeben ist, dass das Atom oder Objekt in alle Raumrichtungen bewegbar ist, bevorzugt wenigstens in Strahlrichtung des Strahls (20), wobei eine Bewegung in die einzelnen Raumrichtungen separat und unabhängig voneinander erfolgen kann.
6. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) einen Laserstrahl (22) erzeugt, der divergent oder konvergent ist bzw. der fokussiert oder defokussiert ist.
7. Vorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) in einem Bereich im Strahlengang angeordnet ist, in dem der Strahl (20) divergent oder konvergent ist, bevorzugt in einem defokussierten Bereich des Strahls (20).
8. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) ein Spiegel (32) ist, bevorzugt ein MEMS-Spiegel (34).
9. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) drei Auflagepunkte, bevorzugt vier Auflagepunkte aufweist, die bevorzugt im Raum veränderbar sind, besonders bevorzugt jeweils unabhängig voneinander und sehr bevorzugt translatorisch und/oder rotatorisch im Raum veränderbar sind.
10. Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element (30) ein Array (36) aus Spiegeln (32) ist, bevorzugt aus MEMS-Spiegeln (34).
11. Vorrichtung (10) nach dem vorhergehenden Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (12) mehrere Laser (14) umfasst, wobei bevorzugt je ein Laser (14) auf einen Spiegel (32) oder MEMS-Spiegel (34) des Arrays (36) gelenkt wird.
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die MEMS-Spiegel (34) des Arrays (36) unabhängig voneinander bewegbar sind, bevorzugt gleichzeitig oder zu unterschiedlichen Zeitpunkten bewegbar sind
13. Quantencomputer mit einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12.
14. Quantencomputer nach Anspruch 13 und mit einem Array (36) von Spiegeln (32), wobei die Anzahl der Spiegel (32) auf die Anzahl der manipulierenden Qubits abgestimmt ist, bevorzugt die Anzahl der Spiegel (32) wenigstens ein Hundertstel bis ein Zehntel der Anzahl der manipulierenden Qubits ist, weiter bevorzugt die Anzahl der Spiegel (32) der Anzahl der manipulierenden Qubits entspricht, sehr bevorzugt die Anzahl der zu manipulierenden Qubits einem Vielfachen der Spiegel (32) des Arrays (36) entspricht, besonders bevorzugt einem ganzzahligen Vielfachen der Spiegel (32) des Arrays (36).
15. Verwendung der Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 in einem Quantencomputer oder einer Quantencomputer-Plattform, die auf der Basis neutraler Atome funktionieren.
16. Verwendung einer Vorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11 zur Materialbearbeitung, bevorzugt um Material gezielt zu entfernen oder ebenso bevorzugt um in einem Material lokal Eigenschaften zu verändern.
17. Verwendung der Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Beeinflussung von Mikropartikeln oder Nanopartikeln, bevorzugt in biologischen Proben, um die Mikropartikel oder Nanopartikel in drei Raumrichtungen relativ zueinander zu positionieren und zu bewegen.
18. Optische Pinzette mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
19. System (50) umfassend eine Mehrzahl von optischen Pinzetten, wobei die optischen Pinzetten auf einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 basieren.
20. Verfahren zum Manipulieren eines Atoms oder eines Objekts umfassend die folgenden Schritte: - Aussenden eines kurzwelligen elektromagnetischen Strahls (20) von einer Lichtquelle (12); - Beeinflussung des ausgesendeten Strahls (20) mittels eines optischen Elements (30); - Weiterleiten des eintreffenden Strahls (20) mittels des optischen Elements (30) derart, dass der Strahl (20) im Strahlengang nach dem optischen Element (30) in einem Fokuspunkt (40) fokussiert wird; - dreidimensionales Bewegen des optischen Elements (30) derart, dass der Fokuspunkt (40) verschiebbar ist und verschoben wird, um eine Manipulation des Atoms oder Objekts in einer Umgebung (42) um den Fokuspunkt (40) zu bewirken, insbesondere um das Atom oder Objekt zu verschieben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zum Manipulieren eines Atoms oder eines Objekts mit einer Lichtquelle, die einen kurzwelligen elektromagnetischen Strahl aussendet, und mit einem bewegbaren optischen Element zur Beeinflussung des Strahls. Derartige Vorrichtungen sind auch als optische Pinzetten bekannt, mit denen Atome oder Partikel, also Objekte, oder auch Moleküle beeinflusst werden können. Die Beeinflussung oder Manipulation betrifft beispielsweise das Festhalten oder Bewegen des Atoms in eine Richtung quer zum Strahl. Optische Pinzetten sind stark fokussierte Laserstrahlen mit einem typischen Fokusdurchmesser von wenigstens 0,1 µm und größer. Sie werden seit vielen Jahren eingesetzt, beispielsweise um Materie zu manipulieren. Mit bisherigen Technologien können optische Pinzetten meist nur in zwei Raumrichtungen senkrecht zur Strahlrichtung bewegt werden. Dazu werden zum Beispiel kippbare Spiegel verwendet, wie in Stuart & Kuhn, New J. Phys. 20 023013 (2018) (https:/doi.org/10.1088/1367-2630/aaa634) beschrieben, oder akusto-optische Modulatoren und Deflektoren, wie aus Barredo et al., Science 354, 1021-1023 (2016) (https: /doi.org/10.1126/science.aah3778) oder Endres et al., Science 354, 1024-1027 (2016) (https://doi.org/10.1126/science.aah3752) bekannt. Ebenso können gemäß Dumke et al., Phys. Rev. Lett. 89, 097903 (2002) Mikrolinsenarrays oder nach Nogrette et al., PRX 4, 021034 (2014) (https://doi.org/10.1103/PhysRevX.4.021034) sogenannte Phasen-Spatial-Light-Modulatoren verwendet werden. Während letztere Methoden auch statische dreidimensionale Pinzettenanordnungen erlauben (Schlosser et al., Phys. Rev. Lett.130, 180601 (2023) (https://doi.orq/10.1103/PhysRevLett.130.180601) und Barredo et al., Nature 561, 79 (2018) (https://doi.org/10.1038/s41586-018-0450-2), ist eine Bewegung in drei Dimensionen nur durch ein weiteres optisches Element möglich, welches den Fokus verschiebt. Dazu können mechanische Verschiebetische, elektrisch krümmbare Spiegel nach Huang et al., Rev. Sei. Instrum. 80, 063107 (2009) (https://doi.orq/10.1063/1.3156838), oder Linsen mit verstellbarer Brennweite ("tunable lenses") nach Iwai et al., Scientific Reports, 9, 12365 (2019) (https://doi.org/10.1038), eingesetzt werden. Diese Ansätze besitzen jedoch entscheidende Nachteile: 1. Es werden zwei verschiedene optische Elemente benötigt, die präzise aufeinander justiert werden müssen. Die Bandbreite ist gemäß Iwai et al. limitiert auf weniger als 1 kHz. Das mechanische Verschieben der Fokussierlinse ist aufgrund der hohen bewegten Masse ebenso wie das Bewegen des Probenhalters auf wenige Hz Bandbreite beschränkt.2. Eine Erweiterung auf mehr als eine optische Pinzette erfordert die Vervielfachung der optischen Aufbauten und eine anschließende Überlagerung aller optischen Pinzetten mittels komplexer und justageintensiver Optik.3. Holographische Verfahren ("Phase SLMs") benötigen aufwendige Berechnungen, um das nötige Phasenmuster zu berechnen. Diese Berechnungen können nicht schnell genug durchgeführt werden, um eine schnelle Bewegung der Pinzetten zu ermöglichen. Der Stand der Technik bietet keine Möglichkeit, optische Pinzetten mit einer hohen Geschwindigkeit in drei Dimensionen zu bewegen, um einzelne oder mehrere Atome schnell zu bewegen und in eine gewünschte Position zu bringen. Schnell bedeutet in diesem Zusammenhang mit einer Bandbreite von mehr als 1 kHz oder einer "Verfahrgeschwindigkeit", bei der der zurückzulegende Weg innerhalb von weniger als zwei Millisekunden durchlaufen wird. Wenn mehrere optische Pinzetten erzeugt und schnell bewegt werden müssen, ist das nach aktuellem Stand der Technik nur eindimensional (1D) oder zweidimensional (2D) realisierbar, jedoch nicht dreidimensional (3D). Es besteht somit ein großer Bedarf, eine optische Pinzette vorzuschlagen, die eine schnelle und präzise Bewegung in drei Dimensionen mit nur einem optischen Element erlaubt. Weiter besteht ein Bedarf, mehrere solcher optischen Pinzetten unabhängig voneinander und vorzugsweise auch gleichzeitig zu bewegen. Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch eine optische Vorrichtung zum Manipulieren eines Atoms oder eines Objekts mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Darüber hinaus wird die Aufgabe von einer optischen Pinzette mit den Merkmalen des Anspruchs 18 und von einem System mit den Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst. In einem Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine optische Vorrichtung zum Manipulieren eines Atoms oder eines Objekts mit einer Lichtquelle zum Aussenden eines kurzwelligen elektromagnetischen Strahls und mit einem beweglichen optischen Element zur Beeinflussung des Strahls. Das optische Element weist eine dreidimensionale Beweglichkeit (3D-Beweglichkeit) auf. Der Strahl der Lichtquelle wird zu dem optischen Element gelenkt und im Strahlengang danach in einem Fokuspunkt fokussiert. Die optische Vorrichtung ist entsprechend aufgebaut und ausgebildet. Das optische Element ist derart eingerichtet und