这些图像中的发光点是单个铷原子，原始排列成与人类头发一样宽的阵列。CQT首席研究员Loh Huanqian的团队拍摄了这些照片，以展示他们如何将原子组装成任何图案 - 甚至是新加坡的狮子头符号 - 适合15×15的三角形网格。研究人员在 15 年 2023 月 <> 日发表在《物理评论应用》上的一篇论文中描述了使这成为可能的设置和新算法。

研究人员热衷于使用中性原子阵列，因为就像可以组装成原型建筑的乐高积木一样，原子阵列可用于对材料进行强大的量子模拟。科学家们已经使用超级计算机来计算材料特性，但如果你试图模拟更多的粒子，计算很快就会变得棘手。通过原子阵列，科学家可以直接对材料进行建模。

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CQT小组的方法使他们能够在室温下可靠地实现225个原子的最先进的无缺陷阵列尺寸。图案的完美很重要，因为已经发现阵列中的缺陷或缺失的原子会恶化量子模拟中观察到的信号。

平行重排原子

为了组装它们的原子阵列，该小组首先使用激光束(也称为光镊)捕获原子。捕获单个原子涉及偶然因素，因此并非每个镊子都成功加载了一个原子。这意味着，即使研究人员从400个镊子阵列开始，他们最终也会得到一个充满缺陷的原子阵列。在下一步中，他们实时重新排列原子，形成更小、无缺陷的目标阵列。

这就是团队的方法与现有方法不同的地方。以前重新排列原子的努力集中在使用一个额外的光学镊子一次移动一个原子，在计算出所需的最小移动次数之后。原子不会永远留在它们的陷阱中，因此最大限度地减少移动次数，因此重新排列所需的时间增加了实现无缺陷阵列的可能性。

Huanqian和她的小组成员开发了一种系统，该系统通过并行移动多个原子和多个镊子来加速重排。在他们的实验中，最多可以使用15个移动镊子同时移动原子以产生无缺陷阵列。涉及的最大移动镊子数量可由用户指定。

“一次移动一个原子就像用一根手指弹钢琴一样，”该论文的第一作者Weikun说。“在我们的协议中，我们使用更多的手指，可以更快地弹钢琴，这节省了很多时间。例如，如果我们有 100 个原子要移动，而不是一次移动 100 个原子，我们可以一次移动 <> 个原子。这意味着我们做出的动作数量减少了十倍。

为了做到这一点，研究人员设计了一种新颖的算法来计算要移动的内容。

战略举措

该算法的输入来自原子最初如何加载的图像。图像被转换为二进制矩阵，值 1 和 0 表示原子是否成功捕获在镊子中。研究人员还指定了目标阵列。

重排策略由两部分组成。首先是行排序。在此过程中，行中的原子在列之间重新分布，以便每列都具有目标数组中所需的原子数。第二种是将原子移动到目标位置的列压缩程序。

为了确保原子在移动过程中不会发生碰撞，这可能会将它们从数组中剔除，该小组指定算法应始终以相同的速度移动原子并保持其顺序。

完成计算后，算法与硬件通信。光学镊子充当机械臂，逐行重新排列原子，然后逐列重新排列。该小组称他们的算法为并行排序和压缩算法，它可以比眨眼更快地完成数组组装。

“编码是实验中最困难的部分之一，”Weikun说。“我们的算法可以看到整个画面，一次性设计整个动作集，确保没有碰撞，然后进行。

凭借他们的新算法，该小组通过实验实现了无缺陷的225原子阵列，成功概率为33%，这是室温设置文献中报道的最高成功概率之一。该团队希望通过更安静，更强大的激光源可以提高他们的成功概率。

“我们已经证明，我们可以将我们的算法应用于任意几何形状，如蜂窝、戈薇和链接戈薇，这对于研究石墨烯、超导体或量子自旋液体等不同的先进材料很有趣，”Huanqian说。“为了表明我们在新加坡已经这样做了，我们还重新排列了单个原子以形成狮子头符号。狮子头标志于1986年作为国家象征引入，象征着勇气，力量和卓越。