单个原子自由互动首次被抓拍,揭示量子效应
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2025-05-09 16:03:19
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IT之家 5 月 9 日消息,来自麻省理工学院(MIT)的科学家首次拍摄到单个原子在空间中自由互动的图像,揭示了支配其行为、难以捉摸的量子效应。

使用单原子分辨率显微镜,观察由两种原子组成的超冷量子气体,发现它们的空间相关性明显不同 —— 左边的玻色子表现出聚集现象,而右边的费米子则显示出反聚集现象。

该图像揭示了这些“自由粒子”之间微妙的量子关联,这是一种此前仅在理论中预测的行为。IT之家援引 scitechdaily 博文介绍,研究团队开发了一种创新方法:先让一团原子云自然移动并互动,随后开启由激光束组成的光栅,瞬间“冻结”原子位置。通过精密调校的激光,他们在原子悬浮时迅速照亮并记录其精确位置。

拍摄单个原子极具挑战性 —— 单个原子直径仅约 0.1 纳米,远小于人类头发丝厚度的百万分之一。研究团队采用的“atom-resolved microscopy”(单原子分辨显微技术)通过激光束形成松散陷阱,让原子自由互动,随后用光栅固定并用荧光成像揭示位置。

团队利用该创新方法,拍摄了不同类型原子云的图像,实现了多项影像首创。他们观察到“bosons”(玻色子)在量子现象中聚集,形成波状结构;同时也捕捉到“fermions”(费米子)在自由空间中配对,这是超导性背后的核心过程。

上面两张渲染图展示了原子陷阱中的流动原子(红色)如何通过施加的光学晶格突然被冻结在原地,并通过拉曼侧带冷却进行成像。下图:三张显微镜图像显示(从左到右)玻色子 23Na 形成玻色-爱因斯坦凝聚态;弱相互作用的 6Li 费米混合物中的单一自旋态;以及强相互作用费米混合物中的两种自旋态,直接揭示了配对的形成。

MIT 物理学教授 Martin Zwierlein 表示:“我们能看到这些原子云中单个原子的行为以及它们之间的关系,这非常震撼。”

团队未来计划将此技术应用于“quantum Hall physics”(量子霍尔物理)等更复杂的量子现象,验证理论预测的奇异状态。

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