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  • 美物理学家用特殊显微镜为超冷费米原子拍照

    设想一个围棋棋盘,在它纵横线的361个交点位置,我们制作一个个凹坑。然后,在棋盘上撒上外形相同的绿豆。为要记录哪些凹坑被占,哪些未被占,最好的办法就是拍一张照片。这里所要报道的新型显微镜观察,所涉及的是大约1000个超冷费米原子。多束激光对射,因干涉形成光学晶格,每个格点相当于一个原子势阱,类似于上述棋盘上交叉点位置的凹坑。

    最近,用于对超冷钾-40原子拍照的显微成像装置,已经由美国麻省理工学院的一个物理学家小组开发成功。研究小组利用激光束,捕获钾原子云于光学晶格,然后在冷却原子的同时,完成原子位置的成像。新技术使研究人员能够清楚地分辨单个费米原子,直接观察它们之间的磁相互作用,甚至探测系综内的纠缠。

    美物理学家用特殊显微镜为超冷费米原子拍照


    费米子特指一类粒子,它们具有半整数的自旋。进而,受到泡利不相容原理的限制,没有两个全同的费米子可以同时占据单一量子态。费米子包含许多种基本粒子——夸克,电子,质子和中子等。另外,它也可以是费米原子,即电子,质子和中子的总数为奇数的原子。结果,费米子的集体行为对周期表中的元素结构,以及高温超导体,超巨磁电阻材料,核物质特性等等,负有责任。尽管它们的重要性,迄今我们仍然没有一个强相互作用费米粒子系统的完整图像,其原因在于它们很难被成像并加以研究。

    研究人员已经研究了超冷玻色原子,即电子,质子和中子的总数为偶数的原子。玻色原子具有整数总自旋,它们可以同时占据单一量子态。具体说,冷却玻色原子云到接近绝对零度的超低温,形成所谓玻色-爱因斯坦凝聚,然后可以研究玻色原子之间的相互作用。

    但是,对费米原子子做同样的事是不容易的,不相容原理不允许两费米原子处于完全相同的量子态。因此,随着越来越多的费米子被添加到一个系统,每一个都被迫登上越来越高的能量台阶,这使系统冷却很棘手。此外,超冷原子很容易受到单个光子的干扰,因此难以长时间地限定费米原子的位置,难以获得清晰的图像。

    拉曼跃迁冷却

    为了绕过上述问题,Lawrence Cheuk, Martin Zwierlein和麻省理工学院的同事们,已经开发出一种显微镜技术,为超冷费米原子成像。他们使用一组激光,同时完成冷却原子和原子成像两项任务。使用标准的方法(包括激光冷却,磁捕获和原子气的蒸发冷却),所有费米原子被冷却到十分接近绝对零度。在这一时间点,原子被装入光学晶格势阱,于是阻止了相邻费米原子之间的任何接触,以及相互作用。

    光学晶格由纵横交错的激光束干涉构成,距离显微镜的成像透镜仅仅7μm。费米原子困在光学晶格的阱中,就像“绿豆”撒在带凹坑的“棋盘”上。
    美物理学家用特殊显微镜为费米原子拍照

    美物理学家用特殊显微镜为超冷费米原子拍照

    处于光学晶格中的一个个超冷钾-40原子

    接下来,通过使用双激光束(每一束具有不同的波长),这些原子被进一步冷却。这种方法利用了拉曼跃迁:特定原子吸收一个光子,然后立即受激发射出另一个频率稍高的光子。在这个过程中,由于吸收光子与发射光子频率不同,原子的能态下跌一个振动能级。在显微成像过程中,每一个原子的位置的确定,要看相应受激发射的光子来自哪一个格点。某格点有受激发射,则意味着该格点原子的冷却。这些受激发射光子由显微镜镜头接收,结果研究组得以探测费米原子在光学晶格中的确切位置,其精度优于光波波长。

    使用这种方法,Zwierlein和他的同事们得以冷却95%以上装入的钾-40气体云原子,进而成像。团队惊讶地发现,即使在成像完成之后,费米原子仍然很冷。Zwierlein表示:这意味着,我知道一个个钾-40原子在哪里,或许可能使用“朱棣文光学小镊子”移动它们到任何位置,并安排它们形成任何我喜欢的花样。

    为了确保他们的实验没有遭受任何光辅助损失,研究人员观察原子在接续的图像之间位置如何变化,观察原子分布于晶格的统计学。该研究小组发现,成像过程没有损失明显数量的原子。

    应用前景——冷原子工具箱

    Chad Orzel,美国大学联盟的物理学家,他没有参与该项工作。他认为,研究成果令人印象深刻,因为它开辟了利用费米原子构建起一系列凝聚态物质模拟物的可能性。他说,如果你观察光晶格中玻色子的行为,这便是超导体的类似物;在超导体中电子配对之后,行为就像玻色子;但晶格中的费米原子系统,更像是一个正常导体,其中电子受到泡利不相容原理的限制,你可以看到其他的有趣的行为;你可以同时考虑使用光场,以一种有趣的方式操控原子之间的相互作用,监视粒子如何走动。

    Chad Orzel告诉physicsworld.com: Zwierlein的工作是对冷原子实验工具箱的一个很好的补充;因为原子暴露于透镜直接成像,你拥有各种改变参数的自由,无需做整个新的样品。
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