近日，麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們宣布首次捕捉到單個(gè)原子在空間中自由相互作用的圖像。這些圖像揭示了“自由活動(dòng)”粒子之間的相關(guān)性，此前這些相關(guān)性僅存在于理論預(yù)測(cè)中，從未被直接觀測(cè)到。
該研究成果以題為“Measuring Pair Correlations in Bose and Fermi Gases via Atom-Resolved Microscopy”發(fā)表于Physical Review Letters期刊，將助力科學(xué)家們?cè)诂F(xiàn)實(shí)空間中可視化前所未有的量子現(xiàn)象。
這些圖像是團(tuán)隊(duì)利用自主研發(fā)的技術(shù)拍攝而成。該技術(shù)先讓原子云自由移動(dòng)并相互作用，接著開(kāi)啟光晶格，短暫凍結(jié)原子的運(yùn)動(dòng)軌跡，隨后運(yùn)用經(jīng)過(guò)微調(diào)的激光快速照射懸浮的原子，在原子自然消散前拍下其位置圖像。
物理學(xué)家們運(yùn)用這項(xiàng)技術(shù)對(duì)不同類型的原子云進(jìn)行可視化研究，并取得多項(xiàng)成像領(lǐng)域的首次突破。研究人員直接觀測(cè)到了被稱為“玻色子”的原子，這類原子在量子現(xiàn)象中會(huì)聚集形成波；他們還捕捉到被稱為“費(fèi)米子”的原子在自由空間中的配對(duì)過(guò)程，這是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)性的關(guān)鍵機(jī)制。
麻省理工學(xué)院的弗蘭克物理學(xué)教授 Thomas A. Martin Zwierlein 表示：“能夠看到這些有趣的原子云中的單個(gè)原子以及它們之間的關(guān)系，太奇妙了?！?/p>
同期雜志上，另外兩個(gè)研究小組也報(bào)告了使用類似成像技術(shù)的成果。其中，由諾貝爾物理獎(jiǎng)得主、麻省理工學(xué)院約翰·麥克阿瑟物理學(xué)教授 Wolfgang Ketterle 領(lǐng)導(dǎo)的小組可視化了玻色子之間增強(qiáng)的配對(duì)相關(guān)性。他是首批制造出由鈉原子組成的玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)的人之一；另一組來(lái)自巴黎高等師范學(xué)院，由 Tarik Yefsah 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)對(duì)一團(tuán)不相互作用的費(fèi)米子云進(jìn)行了成像。
單個(gè)原子成像
單個(gè)原子的直徑約為十分之一納米，相當(dāng)于人類頭發(fā)絲厚度的百萬(wàn)分之一。與頭發(fā)不同，原子的行為和相互作用遵循量子力學(xué)規(guī)則，其量子特性使得原子難以被理解。例如，我們無(wú)法同時(shí)精確知曉原子的位置和運(yùn)動(dòng)速度。
科學(xué)家有多種方法對(duì)單個(gè)原子進(jìn)行成像，比如吸收成像技術(shù)，即通過(guò)激光照射原子云，將其陰影投射到相機(jī)屏幕上。
Zwierlein 指出：“這些技術(shù)能讓我們看到原子云的整體形狀和結(jié)構(gòu)，但無(wú)法觀測(cè)到單個(gè)原子。這就好比能看到天空中的云朵，卻看不見(jiàn)構(gòu)成云朵的單個(gè)水分子。”
他和同事采用了一種截然不同的方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自由空間中相互作用原子的直接成像。他們的技術(shù)名為“原子分辨顯微鏡”。首先，將一團(tuán)原子云聚集在一個(gè)由激光束形成的松散陷阱中，使原子在其中能夠自由相互作用；接著，研究人員開(kāi)啟光晶格，凍結(jié)原子的位置，再用第二束激光照射懸浮的原子，通過(guò)原子發(fā)出的熒光確定它們各自的位置。
“最困難的部分在于收集原子發(fā)出的光，同時(shí)又不能讓原子從光晶格中逸出?？梢韵胂?，要是用噴火器靠近這些原子，它們可受不了。這些年，我們摸索出了一些技巧。這是我們首次在原子強(qiáng)烈相互作用的原位進(jìn)行觀測(cè)，能瞬間凍結(jié)它們的運(yùn)動(dòng)，然后逐個(gè)觀察。這也讓這項(xiàng)技術(shù)比以往更強(qiáng)大?！盳wierlein 表示。
原子間相互作用
該團(tuán)隊(duì)運(yùn)用成像技術(shù)，直接觀測(cè)玻色子和費(fèi)米子之間的相互作用。光子是玻色子的一種，而電子屬于費(fèi)米子。原子究竟是玻色子還是費(fèi)米子，取決于其總自旋，而這又由質(zhì)子、中子和電子總數(shù)的奇偶性決定。一般來(lái)說(shuō)，玻色子相互吸引，費(fèi)米子相互排斥。
Zwierlein 及其同事首次成像了由鈉原子組成的玻色子云。在低溫條件下，玻色子云會(huì)形成玻色-愛(ài)因斯坦凝聚態(tài)，即所有玻色子共享同一量子態(tài)的物質(zhì)狀態(tài)。
Zwierlein 的研究小組如今能夠?qū)υ浦械膯蝹€(gè)鈉原子進(jìn)行成像，以觀測(cè)它們的量子相互作用。長(zhǎng)期以來(lái)，人們一直預(yù)測(cè)玻色子會(huì)相互“聚集”，彼此靠近的概率更大。這種聚集現(xiàn)象是它們共享同一量子力學(xué)波的直接結(jié)果。這種波動(dòng)特性最早由物理學(xué)家 Louis de Broglie 提出，正是“德布羅意波”假說(shuō)在一定程度上開(kāi)啟了現(xiàn)代量子力學(xué)的大門(mén)。
“我們從這種波動(dòng)特性中對(duì)世界有了更多了解。但要觀測(cè)這些量子波動(dòng)效應(yīng)非常困難。不過(guò)，借助我們的新顯微鏡，現(xiàn)在可以直接看到這種波?！?/p>
在成像實(shí)驗(yàn)中，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)首次在原位觀察到玻色子因共享量子相關(guān)的德布羅意波而聚集在一起的現(xiàn)象。該團(tuán)隊(duì)還對(duì)一團(tuán)由兩種鋰原子組成的原子云進(jìn)行了成像。每種類型的鋰原子都是一個(gè)費(fèi)米子，它們會(huì)自然排斥同類，但能與其他特定類型的費(fèi)米子強(qiáng)烈相互作用。在對(duì)這團(tuán)原子云進(jìn)行成像時(shí)，研究人員觀察到，不同類型的費(fèi)米子確實(shí)會(huì)相互作用并形成費(fèi)米子對(duì)，這是他們首次得以直接觀測(cè)到的耦合現(xiàn)象。
該研究的共同作者 Richard Fletcher 說(shuō)：“這種配對(duì)是人們用于解釋實(shí)驗(yàn)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。但當(dāng)看到這樣的圖像時(shí)，原本只存在于數(shù)學(xué)世界中的概念就直觀地呈現(xiàn)在眼前。這很好地提醒我們，物理學(xué)研究的是真實(shí)存在的事物。”
展望未來(lái)，該團(tuán)隊(duì)將運(yùn)用成像技術(shù)，對(duì)更多奇特且尚未被充分理解的現(xiàn)象進(jìn)行可視化研究，比如“量子霍爾物理學(xué)”——相互作用的電子在磁場(chǎng)環(huán)境下展現(xiàn)出新奇相關(guān)行為的現(xiàn)象。
“這就是理論變得極其復(fù)雜的地方——人們開(kāi)始畫(huà)圖，而不是能夠?qū)懗鲆粋€(gè)完整的理論，因?yàn)樗麄儫o(wú)法完全解決它，”Zwierlein 說(shuō)，“現(xiàn)在我們可以驗(yàn)證這些量子霍爾態(tài)的‘草圖’是否真實(shí)存在。因?yàn)檫@些態(tài)確實(shí)非常奇特。”
https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-snap-first-images-free-range-atoms-0505
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