科学家发现超高精度观测原子的新方法精度是光学显微镜50倍电源盒

05-21

5月16日报道，美国联合量子研究所（JQI）等机构的物理学家们发现了一种新的观测方法，可通过直接观测来获得孤立量子系统（如原子气体）的基本细节。新方法能以超高空间分辨率提供在系统特定位置发现原子的概率信息，研究人员利用光学晶格来确定原子在给定空间内出现的几率。由于晶格中的每个原子具有行为相似性，通过测量整个原子群体的行为也能揭示单个原子在空间某点出现的可能性。新技术的精度约为现有光学显微镜精度的50倍，有了这项技术，科学家们可以获得几十纳米尺度的细节——比病毒还小。相关成果发布于《物理评论X》杂志。

研究人员利用激光和光学技术构建了原子波函数图像：这张图是对这一过程的艺术描述，显示了一个显微镜物镜对准悬浮在光学晶格(高白色波)中的原子(球体)

新技术的精度约为现有光学显微镜精度的50倍。JOI研究人员Trey Porto说：“这展示了我们对量子力学的观察能力。我们首次实现了对原子的超高精度观测。”

为了解释量子系统，物理学家们通常会提到它的“波函数”。波函数不仅仅是一个重要的细节，更包含了描述系统所需的所有信息。JQI物理学家、论文作者Steve Rolston说：“如果科学家能掌握波函数的信息，那么他就能由此计算出其他相关信息，例如物体的磁性和导电性等。”虽然波函数是一个数学表达式，但Rolston等的方法可以揭示波函数描述的行为：某个量子系统的“相对行为概率”。在量子力学的世界里，概率意味着一切。

关于量子力学，有许多“奇怪”的原理。例如，在研究人员测定物质的位置之前，它可能没有一个精确的坐标——原子核周围的电子并不会沿着规则的类行星轨道运动，而是以一种“波状方式”形成“电子云”。因此，电子在空间中的位置是模糊的。任何物体都具有波行为，对于宏观物体来讲，“波”的影响难以察觉。但对原子这样的微观物质，情况就显著不同了。原子存在于由量子力学效应占据主导地位的领域中，科学家们不可能确切地表述它所在的位置，只能根据波函数提供原子在限定区域被发现的概率集。

该方法包括同时测量大量相同的量子系统，并将结果综合成一个整体。这有点像同时掷10万对骰子——每次掷出一个结果，并在显示所有骰子值的概率曲线上贡献一个点。

研究小组观察到的是光学晶格中悬浮在激光器中约10万个镱原子的位置。镱原子与相邻原子相互隔离，只能在一维线段上来回运动。为了获得高分辨率图像，研究小组找到了一种方法来观察这些线段的窄切片，以及每个原子在各自切片中出现的频率。在观察了一个区域后，研究小组测量了另一个区域，直到得到了整个图像。

对简单系统的量子力学效应，科学家们已经能比较充分的进行理解了。然而，大多数系统都是复杂的。Rolston说：“很多量子系统过于复杂，我们无法进行计算。现在，新方法可以帮助我们了解复杂系统更多的情况了。虽然我们还不确定这项技术将走向何方，但它为我们提供了新的机遇。多年来，研究人员一直使用光学晶格来捕捉原子，而现在它已经发展成了新的测量工具。”

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