使用量子顯微鏡精確繪制原子的 3D 位置

科學(xué)家們首次在一張圖像中測(cè)量了3D空間中單個(gè)原子的位置，開辟了一種觀察材料中量子相互作用的新方法。

由德國波恩大學(xué)和英國布里斯托爾大學(xué)的研究人員開發(fā)的新方法利用了精確的量子氣體顯微鏡設(shè)置、誘捕在光籠內(nèi)的超冷氣體原子，并在所謂的量子氣體顯微鏡中測(cè)量它們的特性。

雖然科學(xué)家之前已經(jīng)繪制了三個(gè)空間維度的原子圖，但目前的方法需要多次圖像曝光和缺乏高分辨率量子氣體顯微鏡。現(xiàn)在，它可以更快地完成，一次測(cè)量所有三個(gè)維度。

量子氣體顯微鏡的先前應(yīng)用提供了平面上原子排列的描述，為研究人員提供了原子對(duì)的X和Y坐標(biāo)。

通過使原子發(fā)出的光變形，研究人員現(xiàn)在增加了一個(gè)垂直的Z位置，描述了原子的“向上”位置。

“變形的波前不是典型的圓形斑點(diǎn)，而是在相機(jī)上產(chǎn)生一個(gè)啞鈴形狀，圍繞自身旋轉(zhuǎn)，”說來自波恩大學(xué)的量子物理學(xué)家安德里亞·阿爾貝蒂（Andrea Alberti）。

“這個(gè)啞鈴指向的方向取決于光從原子到相機(jī)的傳播距離。

通過應(yīng)用于“啞鈴”形狀的一些巧妙數(shù)學(xué)計(jì)算該距離，可以測(cè)量原子沿 Z 軸的位置。這一新見解為研究人員提供了更敏銳的工具量子實(shí)驗(yàn)需要精度和控制的地方。

“因此，啞鈴的作用有點(diǎn)像指南針上的針，允許我們根據(jù)其方向讀取Z坐標(biāo)，”說波恩大學(xué)的量子物理學(xué)家Dieter Meschede。

該團(tuán)隊(duì)相信，他們開發(fā)的技術(shù)在未來可以進(jìn)一步改進(jìn)，并且可以適應(yīng)量子氣體顯微鏡以外的不同設(shè)置。

更重要的是，用這種方法有可能開發(fā)新的量子材料，這些材料是按訂單定制的，并達(dá)到特定的結(jié)果。關(guān)于宇宙，我們還有很多不了解的地方在最小的尺度上，但這應(yīng)該會(huì)有所幫助。

“例如，我們可以研究當(dāng)原子按一定順序排列時(shí)會(huì)發(fā)生哪些量子力學(xué)效應(yīng)，”說來自布里斯托爾大學(xué)的量子物理學(xué)家Carrie Weidner。

“這將使我們能夠在某種程度上模擬三維材料的特性，而不必合成它們。

該研究已發(fā)表在體檢 A.

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