东方时讯网这些图像中的发光点是单个铷原子，它们原始地排列成大约与人的头发一样宽的阵列。CQT首席研究员LohHuanqian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15x15的三角形网格。研究人员在2023年3月15日发表于PhysicalReviewApplied的一篇论文中描述了使这成为可能的设置和新颖算法。
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，原子阵列可用于执行强大的材料量子模拟。科学家们已经使用超级计算机来计算材料特性，但是如果您尝试模拟更多粒子，计算很快就会变得棘手。使用原子阵列，科学家可以直接对材料进行建模。
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，因为已发现阵列中的缺陷或原子缺失会降低量子模拟中观察到的信号。
平行重排原子
为了组装他们的原子阵列，该小组首先使用激光束(也称为光镊)捕获原子。捕获单个原子涉及机会因素，因此并非每个镊子都能成功装载原子。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以形成更小、无缺陷的目标阵列。
这是该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主要集中在计算所需的最小移动次数后，使用一个额外的光学镊子一次移动一个原子。原子不会永远留在它们的陷阱中，因此尽量减少移动次数以及重新排列所需的时间，会增加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，该系统通过用多个镊子平行移动许多原子来加速重排。在他们的实验中，最多可使用15个移动镊子同时移动原子以生成无缺陷阵列。用户可指定移动镊子的最大数量。
“一次移动一个原子就像用一根手指弹钢琴，”该论文的第一作者魏坤说。“在我们的协议中，我们使用更多的手指，可以更快地弹奏钢琴，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，我们可以移动10个原子一次。这意味着我们的移动次数减少了十倍。”
为了使这项工作成功，研究人员设计了一种新颖的算法来计算要做什么动作。
战略举措
该算法的输入来自原子最初加载方式的图像。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，行中的原子在列中重新分布，使得每一列都具有目标阵列中所需的原子数。第二个是将原子移动到其目标位置的柱压缩程序。
为了确保原子在移动过程中不会发生碰撞，否则可能会将它们从阵列中剔除，该小组指定该算法应始终以相同的速度移动原子并保持它们的顺序。
完成计算后，算法与硬件通信。光镊充当机械臂，逐行重新排列原子，然后逐列重新排列。该小组将他们的算法称为并行排序和压缩算法，它可以比眨眼更快地完成阵列组装。
“编码是实验中最困难的部分之一，”维坤说。“我们的算法看到了整个画面，一次性设计了整个动作集，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。该团队希望使用更安静、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，例如蜂窝、kagome和link-kagome，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做到了这一点，我们还重新排列了单个原子以形成狮子头符号。”狮头标志于1986年作为国家标志引入，象征着勇气、力量和卓越。