麻省理工学院捕获了第一张自由活动原子的图像

这些图像是用一种新颖的技术拍摄的，这种技术可以使原子云在空间中自由移动和相互作用。

美国麻省理工学院（MIT）的科学家们首次捕捉到单个原子在空间中自由相互作用的图像，取得了突破性的成就。

据报道，这些图像显示了自由活动粒子之间的相互作用，这些相互作用直到现在才被理论化，这将使科学家们能够直接观察真实空间中的量子现象。

为了捕捉原子相互作用的详细图像，由麻省理工学院物理学家、该研究的主要作者Martin Zwierlein博士领导的团队开发了一种新技术，该技术允许原子在短暂冻结之前自由移动，并照亮它们以捕捉它们的位置。

该团队利用该技术观察了不同原子类型的云，首次捕捉到了几张开创性的图像。

Zwierlein说：“我们能够看到这些有趣的原子云中的单个原子，以及它们彼此之间的关系，这很漂亮。”

探索云

原子是宇宙中最小的构件之一，每个原子只有十分之一纳米宽，大约比人类的一根头发细一百万倍。此外，它们还遵循量子力学的奇怪规则，这使得它们的行为难以观察和理解。

同时知道原子的确切位置和速度是不可能的 —— 这是量子物理学的一个基本原理，被称为海森堡不确定性原理。

这种不确定性长期以来一直挑战着试图直接观察原子行为的科学家，然而，传统的成像方法，如吸收成像，只能提供一个模糊的视图，捕捉原子云的整体形状，而不是原子本身。

现在，为了克服这一挑战，该团队开发了一种称为原子分辨显微镜的新方法，该方法首先允许原子云在松散的激光陷阱中自由移动和相互作用。

然后，研究人员打开一个光晶格，将原子冻结在适当的位置，并使用精细调谐的激光照射它们，使原子发出荧光 —— 一种原子或分子在被电激发后通过振动松弛到基态的状态 —— 并显示出它们的确切位置。

在不干扰精密系统的情况下捕捉这些光线是一项不小的壮举。Zwierlein解释说：“你可以想象，如果你对这些原子使用火焰喷射器，它们不会喜欢那样。”“所以，多年来我们已经学会了一些如何做到这一点的技巧。”

根据物理学家的说法，真正使这项技术比以前的方法更强大的是，他们第一次在原地通过冻结原子的运动来观察它们之间的强烈相互作用，并一个接一个地观察它们。

量子快照

Zwierlein和他的同事利用他们的新成像技术捕捉了两种基本粒子：玻色子和费米子之间的量子相互作用。

玻色子 —— 其中包括光子、胶子、希格斯玻色子、W和Z玻色子 —— 倾向于相互吸引，在低温下被观察到聚集在钠原子云中，形成玻色-爱因斯坦凝聚体（BEC），其中所有粒子都具有相同的量子态。

这证实了一个长期以来基于路易斯·德布罗意理论的预测，即玻色子聚束是它们共享一个量子波的能力的直接结果 —— 这个假设被称为德布罗意波，它帮助激发了现代量子力学的兴起。

Zwierlein说：“我们从这种波浪般的自然中了解了更多关于世界的信息。”“但观察这些量子波状效应真的很难。然而，在我们的新显微镜中，我们可以直接看到这种波。”

研究人员还对两种类型的锂原子云进行了成像，每一种都是费米子，通常排斥其他类型的费米子，但可以与特定的其他费米子类型强烈相互作用。然后，他们捕捉到这些相反的费米子配对，揭示了超导性背后的关键机制。

他们现在计划将这项技术应用于探索更复杂和较少研究的量子态，包括在量子霍尔物理中看到的令人费解的行为。这些场景包括相互作用的电子在磁场的影响下表现出不寻常的相关行为。

Zwierlein在一次新闻发布会上总结道：“这就是理论变得非常复杂的地方 —— 人们开始画画，而不是写下一个完整的理论，因为他们不能完全解决它。”“现在我们可以验证这些量子霍尔态的卡通是否真的存在。因为它们是非常奇怪的状态。”

这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。

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