量子气体显微镜产生的Atom图像通常是一个圆形的、稍微模糊的斑点。 在这张理论上预测的图像中，Atom扭曲成哑铃形状，哑铃指向的方向给出了Atom的 z 坐标。 （由 IAP/波恩大学提供）
一种新的成像技术首次为科学家提供了光学晶格内单个Atom的 3D 位置，超越了以前仅提供 2D 图像的方法。 该技术由德国波恩大学和英国布里斯托尔大学的团队开发，可以提高基于Atom的量子模拟的精度，并有助于新量子材料的开发。
“我们现在能够拍摄光学晶格中Atom的单个快照，并准确地看到它们在所有三个维度中的位置，”共同领导该技术开发的 Carrie Weidner 和 Andrea Alberti 解释道。 “以前的光学探测技术仅限于拍摄Atom的‘平面’照片，但Atom并不生活在平面世界中。”
对光学晶格中Atom的实验通常首先使用激光将Atom冷却到略高于绝对零的温度。 这使得它们几乎停止运转，并让它们被困在激光驻波——晶格中。 一旦被捕获，Atom就会暴露在额外的激光束下，使它们发出荧光。 通过对这种荧光进行成像，研究人员可以确定Atom的位置。
这种成像过程被称为量子气体显微镜，由美国哈佛大学和德国马克斯·普朗克量子光学研究所的物理学家在十多年前开发出来。 然而，标准方法仅提供每个Atom的 x 和 y 坐标。 缺乏有关Atom在 z 方向上的位置的信息，即它们与成像系统内物镜的距离。
相变
新方法通过获取荧光Atom发出的光并在到达相机之前对其进行修改来解决这个问题。 更具体地说，该方法改变发射光场的相位，使得Atom图像看起来在空间中旋转，作为其沿成像系统视线的位置的函数。
“与量子气体显微镜中通常产生的典型圆形斑点不同，变形的波前在相机上产生围绕自身旋转的哑铃形状，”阿尔贝蒂解释道。 “这个哑铃指向的方向取决于光从Atom到相机的传播距离。”
因此，哑铃的作用有点像指南针上的指针，研究人员可以根据其方向读取 z 坐标，负责进行实验的波恩实验室的迪特·梅舍德 (Dieter Meschede) 补充道。
一个有着悠久历史的想法
魏德纳表示，这项研究的最初想法分别来自斯坦福大学和科罗拉多大学的威廉·莫尔纳和拉斐尔·皮埃斯顿。 阿尔贝蒂补充说，“令人着迷”的是，此前没有人想到利用光场的相位来获取有关发光粒子 z 位置的信息。 他说，控制光场的相位当然不是什么新鲜事。
“它实际上有很长的历史：事实上，为了获得清晰（而不是模糊）的图像，所有精心设计的成像系统都是为了使到达相机表面（或我们眼睛中的视网膜）的所有光线的相位为同样的——这就是著名的费马原理，”他解释道。 “均衡所有这些相位差就是校正光学像差的方法。 这本质上就是我们戴眼镜来改善视力时所做的事情。”
阿尔贝蒂补充说，该技术面临的最大挑战之一是找到一位有能力的实验员，他可以全职工作以实现该技术。 “我们很幸运，硕士生 Tangi Legrand 决定接受这一挑战，”他说。 “没有他，我们今天就不会报告我们的成功成果。”
单张图像即可精确定位
能够通过单个图像精确确定Atom的 3D 位置在多种情况下可能很有用。 它可以更容易地触发Atom之间的特定相互作用，并且可以帮助科学家开发具有特殊特性的新量子材料。 “我们可以研究当Atom按一定顺序排列时发生的量子力学效应的类型，”韦德纳建议。 “这将使我们能够在某种程度上模拟三维材料的特性，而无需合成它们。”
另一个优点是物理评测 A 中详细介绍的该技术非常通用。 “我们的方法可以应用于许多系统，包括分子、离子，实际上是任何量子发射器，”韦德纳说。 “我们希望看到这种方法应用于世界各地的 3D 量子模拟工作。”
从长远来看，研究人员表示，他们的“梦想”是重建包含数千个Atom的大型阵列的 3D 位置。 他们解释说，这些大型阵列需要大视场，这涉及光学像差。 他们说：“我们希望改进的重建方法能够处理这些像差，从而扩大我们的技术的应用范围。” “它们还可能有助于找到在更密集的晶格中位于彼此之上的Atom的 3D 位置。”
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