哥伦比亚大学重磅Nature ：超表面光镊阵列中的单原子捕获
一、【科学背景】
光镊阵列正在为量子应用带来深远的影响，它现已成为量子计算、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前所未有的控制水平。光镊阵列由许多紧密聚焦的激光束组成，每束激光束构成单个粒子的陷阱。光镊阵列生成的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、稳定性和高光学效率也需具备。目前，光镊阵列主要通过有源光束整形器件产生，例如声光偏转器、液晶空间光调制器或数字微镜器件等。但这些设备需要复杂的控制电子设备和具有高数值孔径的投影光学器件，对未来的量子应用具有显著局限性。尽管科学家已经探索了一些替代技术，但有限的光束整形能力使得实现高度均匀的阵列仍具有挑战性。值得注意的是，超表面（Metasurfaces）为光镊阵列的生成提供了一种有趣的替代方案，它是一种由亚波长尺度的人造纳米结构（被称为“超原子”）组成的二维平面光学器件。
二、【创新成果】
基于上述挑战，近期哥伦比亚大学Sebastian Will 教授与虞南方教授团队提出了全息超表面作为生成多功能且可扩展的光镊阵列的方法。超表面是由亚微米像素组成的平面光学器件，可以将任意相位图案压印到入射激光束上，从而生成并聚焦光镊阵列。超表面具有高功率处理能力、衍射极限聚焦和全面的偏振控制。最近的一项实验证明了 3 × 3 光镊阵列中的单原子捕获，该阵列由声光偏转器（AOD）生成，然后由超表面透镜聚焦。然而，迄今为止，利用超表面的完整光束整形功能（将阵列生成和聚焦集成到一个设备中）的原子光镊阵列的演示仍然难以实现。
为了解决上述疑问，该研究团队在这项工作中，演示了超表面光镊阵列中单个锶（Sr）原子的捕获研究。研究人员使用波长为 520 nm的激光，实现了具有任意几何形状的二维原子阵列，它具有超过 100 个捕获原子，捕获间距小至 1.5 μm。研究人员发现陷阱均匀性可与最先进的技术相媲美，并展示了高保真度的单原子制备和检测方案。研究人员还讨论了具有亚波长像素尺寸的大面积全息超表面如何为具有 >100,000 个原子的阵列提供现实的路径。最后，研究人员通过实验证明了具有 360000 个陷阱的高度均匀的光镊阵列，比当前最先进的技术高出 2 个数量级。
图1超表面光镊阵列及与超冷锶原子的集成；© Springer Nature Limited 2026
图2 被超表面生成的光镊阵列捕获的 Sr 原子的荧光图像；© Springer Nature Limited 2026
研究人员使用透射超表面来传输520 nm的可见光。多个超表面被放置在单个小型基板上，允许通过基板的平移在不同的镊子阵列之间轻松切换。研究团队开发了两种基于高效介质材料的全息超表面：富硅氮化硅（SRN）和二氧化钛（TiO2），其具有卓越的功率处理能力和与较短光学波长的兼容性。这些材料的高折射率特性确保了超表面的高衍射效率（约60%），而亚波长尺寸的超原子设计则让光镊陷阱的聚焦精度达到衍射极限。
在具体的实验中，研究团队为了创造捕获条件，首先利用二维磁光阱生成冷原子束，又使用三维磁光阱和窄线冷却技术，将锶原子冷却至微开尔文量级。接着，波长为520nm的激光束经声光调制器调控后照射超表面，在超高真空玻璃池中形成密集的光镊陷阱阵列，原子被精准捕获到这些“微观牢笼”中。通过荧光成像技术，研究团队成功观测到原子在陷阱中的分布，实现了对单原子的可视化探测。
图3 16×16超表面阵列中的单原子制备和检测； © Springer Nature Limited 2026
后续研究人员演示了16×16超表面中的单原子捕获和检测。数组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。为了确保上述要求，该研究团队采用了宇称投影技术，投影后，结果表明41%的陷阱成功捕获单原子，单个阵列中可稳定存在超过100个单原子，且原子探测保真度高达95%以上，在小型4×4阵列中更是达到99.8%的超高保真度。
研究人员还表征了16×16阵列的均匀性。研究人员使用捕获的原子作为高灵敏度探针来测量每个捕获的深度、频率和位置。结果表明：对于陷阱深度和径向陷阱频率，研究人员发现整个阵列的标准偏差分别为 7.5% 和 5%（8%）。与4 μm的陷阱间距相比，位置误差在1.5 %的水平上，与Sr的陷阱内振动波函数的程度相似。这种均匀性水平不仅媲美甚至超越了传统光镊技术，更为后续量子操控的一致性提供了保障。
图4 通过原子响应表征超表面阵列的均匀性；© Springer Nature Limited 2026
为了证明超表面阵列的高可扩展性，研究人员通过实验实现了具有 360000 个镊子陷阱的阵列。陷阱排列在600 × 600的方格上，最近邻位点之间的间距为2.5μm。该超表面直径为3.5毫米，包含约 1.14 亿像素，由 TiO2 制成，具有卓越的功率处理能力。360000个陷阱的阵列规模，意味着能够同时捕获数十万单个原子，构建出大规模的量子比特阵列—这一数量级已接近实用化量子计算机的基本需求。
图5 基于像素的光束整形设备的性能；© Springer Nature Limited 2026
图6 600×600光镊阵列的实现和表征；© Springer Nature Limited 2026
该研究演示了通过全息超表面生成的光镊阵列中单个锶原子的捕获。实现了包含超过 100 个单原子的二维阵列，这些原子以任意几何形状排列，陷阱间距小至 1.5μm。研究人员还实现了具有 360000 个陷阱的光镊阵列。这些研究进展克服了实现可扩展中性原子量子技术的关键障碍，文章以“Trapping of single atoms in metasurface optical tweezer arrays”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。
三、【科学启迪】
综上所述，在这项工作中，研究人员演示了超表面光镊阵列中的单原子捕获技术。研究人员证明了阵列的均匀性与使用现有方法实现的均匀性相当。由于亚波长像素尺寸，全息超表面可以达到高有效数值孔径。这允许在超表面的焦平面上创建紧密聚焦的光镊阵列，从而无需缩小放大或中继光学器件即可直接捕获原子。凭借其高像素数和出色的功率处理能力，超表面为具有超过100,000个原子的阵列提供了一条现实的道路。这满足了未来基于原子阵列的量子模拟、量子计算、量子传感和光学时钟应用的关键需求，在未来有着光明的研究前景。
文献链接：Trapping of single atoms in metasurface optical tweezer arrays，2026，https://doi.org/10.1038/s41586-025-09961-5）
本文由LWB供稿。
