量子波运动中的原子成像

巴黎卡斯勒-布罗塞尔实验室（Laboratoire Kastler Brossel）的物理学家们开发出一种强大的新技术，可直接观察单个原子在空间运动时的波状行为。通过用激光精确控制超冷原子，并用最先进的显微镜对其成像，研究人员捕捉到了物质波运动的一些最清晰的证据。他们的研究成果发表在最近的预印本上，让人们对单个粒子的神秘量子世界有了令人兴奋的一瞥。

根据量子力学的奇特规则，所有粒子都具有类似粒子和类似波的特性。在原子或更小的尺度上，物体的行为微妙地表现为波，即使它们仍然是明显可数的粒子。过去的实验通过散射效应对物质波进行了间接研究，但直接成像单个原子波证明具有挑战性。法国研究小组试图改变这种状况，他们开发了一种方法，将原子波函数平滑地投射到光学晶格上，然后通过单粒子成像精确定位原子位置。

约里斯-韦斯特拉滕、戴昆仑、马克西姆-迪克斯梅里亚斯、布鲁诺-皮奥德塞夫、蒂姆-德容、塔里克-叶夫萨

单原子波包的制备和原位成像。(a) 测量方案：制备的单个原子接近三角形光晶格中单个位点的谐振子基态，该晶格由一束自干涉激光束产生，其波矢量为𝐤𝟏、𝐤𝟐和𝐤𝟑。最初被困在晶格井中的波包的特征是高斯概率密度分布|𝜓0(𝐫)|2，在一个平面上释放，使其在给定时间内膨胀。为了在膨胀后成像，晶格会再次快速上升，投射波包，并应用拉曼边带冷却将原子固定在单个位置上。通过位点分辨荧光成像技术记录原子位置。通过多次重复相同的波包，我们创建了投射位置的直方图，其离散程度由晶格结构决定，从而得到测量概率分布 |𝜓0(𝐫)|2。 (b) 实验单原子分辨图像。右上角显示的是包含单个原子的子区域。右下角显示图像的放大区域，其上以白点显示重建的三角形晶格结构，其间距为 𝑎𝐿=709 nm。(c) 将原子限制在二维平面上的扁圆形光学偶极子阱、用于冷却和成像的拉曼光束（R1、R2 和 RP）以及显微镜物镜的实验配置。(d) 实验配置的俯视图，显示光学晶格光束的几何形状。

他们的研究结果为一个大胆的猜想提供了可信度--在宏观尺度上，整个宇宙可以被理解为物质的巨大能量波，而我们对现实的感知只是对这种持续量子波动的有意识解释。原子、人类、行星、星系--所有这些都可以被描述为无休止的宇宙运动中反复出现的概率模式。根据这一观点，没有任何事物是真正静止不动的，这也解释了为什么物理学家在对自然的研究中从未发现过绝对静止的现象。

这项工作为我们提供了一个了解难以捉摸的量子波函数的窗口，使我们离完全可视化量子世界更近了一步。法国研究人员捕捉到了符合波粒二象性的粒子的最清晰图像，将原子量子显微镜技术提升到了一个新的水平。他们的成果令人惊叹地证实了量子力学的奇特规则，并为直接发现自然界最深尺度的现象开辟了令人兴奋的途径。

参考文献

1. 1.  https://doi.org/10.48550/arXiv.2404.05699

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