量子科学的首创：在自由空间中捕获单个原子，验证了100 年前理论

在一项开创性的发现中，物理学家首次观察到单个自由范围原子在自由空间中相互作用，证实了一个多世纪前提出的量子力学理论。这一非凡的成就发表在2025 年5月5日《物理评论快报》上，这标志着量子力学的一个重要里程碑，并展示了新实验技术的力量。

这项研究由麻省理工学院的物理学家Martin Zwierlein领导，利用一种新颖的方法以前所未有的技巧来捕获和研究原子。这些发现验证了法国物理学家路易斯·德布罗意 （Louis de Broglie） 在1924年对玻色子波状行为的预测。

一种看到不可见事物的新方法

原子是物质的组成部分，一直以来都很难观察到。量子力学的奇特特性——粒子可以同时以多种状态存在——给试图直接可视化和研究这些粒子的科学家带来了重大挑战。正如Martin Zwierlein解释的那样，观察单个原子以前被比作“看到天空中的一朵云，但看不到构成云的单个水分子”。

直到最近，科学家们能实现的大多数工作都是捕捉原子云的图像，原子云是一组共同行为的原子。然而，借助一种基于激光的新技术，Zwierlein 和他的团队将他们的观察更进一步，使他们能够直接观察单个原子。这是通过在超低温下将钠原子聚集到松散的陷阱中，用激光晶格将它们冻结到位，然后使用另一种激光照亮它们的精确位置来实现的。

验证百年理论

这个实验的核心是观察玻色子，玻色子是一种粒子，由于其量子性质，它的行为像波，并且倾向于聚集在一起。这种行为最早是由德布罗意于1924年提出的，作为他在量子力学方面的开创性工作的一部分。根据德布罗意的假设，像玻色子这样的粒子不应该充当单独的实体，而应该表现出波状的特性。

事实上，这个实验的结果证实了德布罗意的理论：观察到的玻色子显示出预期的波行为，有效地证明了德布罗意波的存在。Zwierlein 评论了这一突破的重要性：

我们能够在这些有趣的原子云中看到单个原子，以及它们彼此之间的关系，这太美了。这允许更深入地了解迄今为止仅被理论化的粒子行为。

观察量子相互作用的复杂性

除了玻色子，该团队还拍摄了费米子锂的图像，这是另一类与玻色子不同，它们相互排斥且不会聚集的粒子。这种行为与玻色子的行为形成鲜明对比，为不同类型的量子粒子如何相互作用提供了进一步的见解。

突破不仅仅是证明长期存在的理论;它为进一步研究复杂的量子现象打开了大门。例如，该团队现在计划使用他们的新技术，即原子分辨显微镜，来探索其他现象，例如量子霍尔效应，电子在强磁场的影响下的同步效应。