科学家拍下单个原子的“社交图鉴”，开启量子现象可视化新纪元

近日，麻省理工学院的物理学家们宣布首次捕捉到单个原子在空间中自由相互作用的图像。这些图像揭示了“自由活动”粒子之间的相关性，此前这些相关性仅存在于理论预测中，从未被直接观测到。

该研究成果以题为“Measuring Pair Correlations in Bose and Fermi Gases via Atom-Resolved Microscopy”发表于Physical Review Letters期刊，将助力科学家们在现实空间中可视化前所未有的量子现象。

这些图像是团队利用自主研发的技术拍摄而成。该技术先让原子云自由移动并相互作用，接着开启光晶格，短暂冻结原子的运动轨迹，随后运用经过微调的激光快速照射悬浮的原子，在原子自然消散前拍下其位置图像。

物理学家们运用这项技术对不同类型的原子云进行可视化研究，并取得多项成像领域的首次突破。研究人员直接观测到了被称为“玻色子”的原子，这类原子在量子现象中会聚集形成波；他们还捕捉到被称为“费米子”的原子在自由空间中的配对过程，这是实现超导性的关键机制。

麻省理工学院的弗兰克物理学教授 Thomas A. Martin Zwierlein 表示：“能够看到这些有趣的原子云中的单个原子以及它们之间的关系，太奇妙了。”

同期杂志上，另外两个研究小组也报告了使用类似成像技术的成果。其中，由诺贝尔物理奖得主、麻省理工学院约翰·麦克阿瑟物理学教授 Wolfgang Ketterle 领导的小组可视化了玻色子之间增强的配对相关性。他是首批制造出由钠原子组成的玻色-爱因斯坦凝聚态的人之一；另一组来自巴黎高等师范学院，由 Tarik Yefsah 带领的团队对一团不相互作用的费米子云进行了成像。

单个原子成像

单个原子的直径约为十分之一纳米，相当于人类头发丝厚度的百万分之一。与头发不同，原子的行为和相互作用遵循量子力学规则，其量子特性使得原子难以被理解。例如，我们无法同时精确知晓原子的位置和运动速度。

科学家有多种方法对单个原子进行成像，比如吸收成像技术，即通过激光照射原子云，将其阴影投射到相机屏幕上。

Zwierlein 指出：“这些技术能让我们看到原子云的整体形状和结构，但无法观测到单个原子。这就好比能看到天空中的云朵，却看不见构成云朵的单个水分子。”

他和同事采用了一种截然不同的方法，实现了对自由空间中相互作用原子的直接成像。他们的技术名为“原子分辨显微镜”。首先，将一团原子云聚集在一个由激光束形成的松散陷阱中，使原子在其中能够自由相互作用；接着，研究人员开启光晶格，冻结原子的位置，再用第二束激光照射悬浮的原子，通过原子发出的荧光确定它们各自的位置。

“最困难的部分在于收集原子发出的光，同时又不能让原子从光晶格中逸出。可以想象，要是用喷火器靠近这些原子，它们可受不了。这些年，我们摸索出了一些技巧。这是我们首次在原子强烈相互作用的原位进行观测，能瞬间冻结它们的运动，然后逐个观察。这也让这项技术比以往更强大。”Zwierlein 表示。

原子间相互作用

该团队运用成像技术，直接观测玻色子和费米子之间的相互作用。光子是玻色子的一种，而电子属于费米子。原子究竟是玻色子还是费米子，取决于其总自旋，而这又由质子、中子和电子总数的奇偶性决定。一般来说，玻色子相互吸引，费米子相互排斥。

Zwierlein 及其同事首次成像了由钠原子组成的玻色子云。在低温条件下，玻色子云会形成玻色-爱因斯坦凝聚态，即所有玻色子共享同一量子态的物质状态。

Zwierlein 的研究小组如今能够对云中的单个钠原子进行成像，以观测它们的量子相互作用。长期以来，人们一直预测玻色子会相互“聚集”，彼此靠近的概率更大。这种聚集现象是它们共享同一量子力学波的直接结果。这种波动特性最早由物理学家 Louis de Broglie 提出，正是“德布罗意波”假说在一定程度上开启了现代量子力学的大门。

“我们从这种波动特性中对世界有了更多了解。但要观测这些量子波动效应非常困难。不过，借助我们的新显微镜，现在可以直接看到这种波。”

在成像实验中，麻省理工学院团队首次在原位观察到玻色子因共享量子相关的德布罗意波而聚集在一起的现象。该团队还对一团由两种锂原子组成的原子云进行了成像。每种类型的锂原子都是一个费米子，它们会自然排斥同类，但能与其他特定类型的费米子强烈相互作用。在对这团原子云进行成像时，研究人员观察到，不同类型的费米子确实会相互作用并形成费米子对，这是他们首次得以直接观测到的耦合现象。

该研究的共同作者 Richard Fletcher 说：“这种配对是人们用于解释实验的数学结构基础。但当看到这样的图像时，原本只存在于数学世界中的概念就直观地呈现在眼前。这很好地提醒我们，物理学研究的是真实存在的事物。”

展望未来，该团队将运用成像技术，对更多奇特且尚未被充分理解的现象进行可视化研究，比如“量子霍尔物理学”——相互作用的电子在磁场环境下展现出新奇相关行为的现象。

“这就是理论变得极其复杂的地方——人们开始画图，而不是能够写出一个完整的理论，因为他们无法完全解决它，”Zwierlein 说，“现在我们可以验证这些量子霍尔态的‘草图’是否真实存在。因为这些态确实非常奇特。”

https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-snap-first-images-free-range-atoms-0505