物理学家为费米子原子构建量子气体显微镜 2017-02-07 03:02:24

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研究生Lawrence Cheuk调整了激光冷却钠原子的光学设置一组物理学家建立了一个显微镜,能够同时冻结和成像1,000个单独的费米子原子费米子是物质的基石,以多种排列方式相互作用产生周期表的元素没有费米子,物理世界将不存在费米子的例子是电子,质子,中子,夸克和由奇数个这些基本粒子组成的原子由于它们的铁离子性质,电子和核物质在理论上很难理解,因此研究人员正在尝试使用超微粒子的费米子原子气体作为其他费米子的替代品

但是原子对光非常敏感:当单个光子撞击原子时,它可以将粒子撞击到位 - 使单个费米子原子成像变得非常困难的效果现在麻省理工学院物理学家团队已经建立了一个能够最多可观察到1000个单个费米子原子研究人员设计了一种基于激光的技术来捕获和冻结费米子,同时对粒子进行成像

新的成像技术使用两个激光束,在光学晶格中的一组铁离子原子上训练

每个不同波长的光束冷却云,使单个费米子降低能量水平,最终使它们达到最低能量状态 - 冷却和稳定到足以保持原位同时,每个费米子释放光,被显微镜捕获并用于对费米子在晶格中的确切位置进行成像 - 精确度高于光的波长使用新技术,研究人员能够对构成云的超过95%的费米子原子进行冷却和成像麻省理工学院物理学教授Martin Zwierlein表示,该技术的一个有趣结果似乎是即使在成像后也可以保持费米子的冷却这意味着我知道它们在哪里,我可以用一把小镊子将它们移动到任何位置,并按照我想要的任何模式安排它们,“Zwierlein说Zwierlein及其同事,包括第一作者和研究生Lawrence Cheuk今天在“物理评论快报”上发表了他们的研究成果看到玻色子中的费米子过去二十年来,实验物理学家研究了两类粒子的超冷原子气体:费米子和玻色子 - 像费米子这样的光子等粒子能够无限数量占据相同的量子状态2009年,哈佛大学的物理学家Markus Greiner设计了一种显微镜,成功地在紧密间隔的光学晶格中成像单个玻色子

这个里程碑在2010年被第二个玻色子显微镜跟随,由Immanuel Bloch的小组开发在马克斯普朗克量子光学研究所这些显微镜以前所未有的细节揭示了玻色子在s下的行为然而,还没有人为费米子原子开发出类似的显微镜“我们想做这些小组为玻色子所做的事情,但对于费米子来说,”Zwierlein说:“事实证明它对费米子来说要难得多,因为原子我们使用的并不是那么容易冷却所以我们必须找到一种新的方法来冷却它们同时看着它们“近几十年来设计的冷却原子的技术已接近绝对零度Carl Wieman,Eric Cornell和麻省理工学院的Wolfgang Ketterle能够在1995年实现玻色 - 爱因斯坦凝聚,这是他们获得2001年诺贝尔物理学奖的里程碑其他技术包括使用激光将原子从300摄氏度冷却到绝对零度以上几万分之一的过程聪明冷却技术然而,为了看到单个费米子原子,粒子需要进一步冷却为了做到这一点,Zwierlein的小组使用激光束创建了一个光学晶格,形成一个结构研究混合鸡蛋盒,每个孔都可以捕获一个费米子通过激光冷却,磁阱和进一步蒸发冷却气体的各个阶段,原子是在绝对零度以上的温度下制备的 - 冷到个别费米子到固定在底层光学晶格上团队将晶格放置在离成像透镜仅7微米的位置,他们希望通过成像透镜观察单个费米子 然而,看到费米子需要在它们上面发光,导致光子基本上将一个费米子原子从其井中撞出,并且可能完全脱离系统“我们需要一种聪明的技术来保持原子冷却,同时观察它们,”Zwierlein说他的团队决定使用双激光方法进一步冷却原子;该技术操纵原子的特定能量水平或振动能量每个原子占据一定的能量状态 - 状态越高,颗粒越活跃

团队在晶格上照射两个不同频率的激光束

频率的差异对应于费米子的能量水平之间的能量结果,当两个光束都指向费米子时,粒子将吸收较小的频率,并从较大频率的光束发射光子,从而将一个能级降低到更冷,更惰性状态晶格上方的透镜收集发射的光子,记录其精确位置,而费米森Zwierlein表示,同时对1000多个费米子原子进行高分辨率成像将增强我们对自然界中其他费米子行为的理解 - 特别是电子的行为这种知识可能有一天会促进我们对高温超导体的理解,这使得能够实现无能量传输,以及诸如固态系统或核物质之类的量子系统“费米气体显微镜,以及随意定位原子的能力,可能是实现基于费米子的量子计算机的重要一步, “Zwierlein说:”人们将因此利用迄今为止阻碍我们对电子系统的理解的复杂量子规则的力量“Zwierlein说这是费米气体显微镜学家的好时机:大约在同一时间他的小组首次报告其结果,来自哈佛大学和格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学的研究小组也报告了在光学晶格中对单个费米子原子进行成像,这表明这种显微镜具有广阔前景

三一学院物理学教授Zoran Hadzibabic表示,该组的显微镜能够检测单个原子几乎完美的保真度“”他们可靠地检测到它们,这样做而不会影响它们的位置 - 这就是你想要的全部,“s ays Hadzibabic,他没有为这项研究做出贡献“到目前为止,他们已经展示了这项技术,但我们从玻色子的经验中知道这是最艰难的一步,我希望科学成果开始倾泻”这项研究部分由美国国家科学基金会,空军科学研究办公室,海军研究办公室,陆军研究办公室以及David和Lucile Packard基金会出版物:Lawrence W Cheuk等人,“用于费米子原子的量子气体显微镜”, Phys Rev Lett 114,193001,2015年5月13日; doi:101103 / PhysRevLett114193001来源:Jennifer Chu,麻省理工学院新闻图片:Jose-Luis Olivares /麻省理工学院