“QUIONE”诞生——可对单个锶原子成像的首台量子气体显微镜
- 2024-04-28 13:47:482952
来源:化工仪器网
【仪器网 技术前沿】量子气体显微镜是一种利用超冷原子的技术,可以实现对单个原子的操作和成像。超冷原子是指被冷却到接近绝对零度的原子,这时候原子的运动会变得很慢,而且会表现出一些奇妙的量子效应,比如玻色-爱因斯坦凝聚和费米子超流。
量子物理学需要借助高精度传感技术来深入研究材料的微观特性。量子气体显微镜能检测单个原子,生成分辨率非常高的量子气体图像,是从原子水平理解量子系统的强大工具。
量子气体显微镜的核心部分是一个高分辨率的显微镜物镜,它可以收集原子发出的荧光信号,并将其放大成像到一个探测器上。这样,我们就可以观察到单个原子在光晶格中的位置和状态,甚至可以对它们进行单点操作,比如激发、移动、交换等。量子气体显微镜的出现,使得我们可以用超冷原子来模拟一些复杂的量子系统,比如量子多体系统、量子相变、量子计算等,这对于理解量子物理的本质和发展量子技术都是非常有帮助的。
目前,量子气体显微镜装置主要依赖锂和钾等碱性原子,但与锶等碱性原子相比,锂和钾的光谱性质更简单,这意味着锶能提供更多信息。此外,锶的独特性质也使其在量子计算和量子模拟领域备受关注。例如,锶原子云可用作原子量子处理器,解决当前经典计算机无法处理的问题。
在一项最新研究中,西班牙巴塞罗那科学技术学院(ICFO)科学家建造了全球首台能对锶量子气体内单个原子成像的显微镜,并以希腊神话中雪神的名字命名为“喀俄涅”(QUIONE)。
研究团队鉴于锶量子模拟的巨大潜力,着手构建量子气体显微镜。为此,他们首先利用激光降低锶气体温度。在短短几毫秒内,使其温度降至几乎绝对零度。在此条件下,原子行为受量子力学定律支配,表现出量子叠加和纠缠等新特征。随后,他们利用特殊激光激活了光学晶格,使原子沿空间排列成网格。最后,研究人员用显微镜拍摄图像,最终可逐个原子地观察锶量子气体,“喀俄涅”构建完成。
他们使用该显微镜确认锶气体是一种超流体,即一种没有黏性的量子物质相。这台量子气体显微镜有望用于模拟更复杂材料,揭示新的物质状态,也可用于量子模拟,解释当前计算机无法回答的问题。相关论文发表于最新一期《物理学评论X辑·量子》上。
(资料来源:科技日报)