“QUIONE”誕生——可對單個鍶原子成像的首臺量子氣體顯微鏡
【化工儀器網 項目成果】量子氣體顯微鏡是一種利用超冷原子的技術，可以實現對單個原子的操作和成像。超冷原子是指被冷卻到接近絕對零度的原子，這時候原子的運動會變得很慢，而且會表現出一些奇妙的量子效應，比如玻色-愛因斯坦凝聚和費米子超流。
量子物理學需要借助高精度傳感技術來深入研究材料的微觀特性。量子氣體顯微鏡能檢測單個原子，生成分辨率非常高的量子氣體圖像，是從原子水平理解量子系統的強大工具。
量子氣體顯微鏡的核心部分是一個高分辨率的顯微鏡物鏡，它可以收集原子發出的熒光信號，并將其放大成像到一個探測器上。這樣，我們就可以觀察到單個原子在光晶格中的位置和狀態，甚至可以對它們進行單點操作，比如激發、移動、交換等。量子氣體顯微鏡的出現，使得我們可以用超冷原子來模擬一些復雜的量子系統，比如量子多體系統、量子相變、量子計算等，這對于理解量子物理的本質和發展量子技術都是非常有幫助的。
目前，量子氣體顯微鏡裝置主要依賴鋰和鉀等堿性原子，但與鍶等堿性原子相比，鋰和鉀的光譜性質更簡單，這意味著鍶能提供更多信息。此外，鍶的獨特性質也使其在量子計算和量子模擬領域備受關注。例如，鍶原子云可用作原子量子處理器，解決當前經典計算機無法處理的問題。
在一項最新研究中，西班牙巴塞羅那科學技術學院(ICFO)科學家建造了全球首臺能對鍶量子氣體內單個原子成像的顯微鏡，并以希臘神話中雪神的名字命名為“喀俄涅”(QUIONE)。
研究團隊鑒于鍶量子模擬的巨大潛力，著手構建量子氣體顯微鏡。為此，他們首先利用激光降低鍶氣體溫度。在短短幾毫秒內，使其溫度降至幾乎絕對零度。在此條件下，原子行為受量子力學定律支配，表現出量子疊加和糾纏等新特征。隨后，他們利用特殊激光激活了光學晶格，使原子沿空間排列成網格。最后，研究人員用顯微鏡拍攝圖像，最終可逐個原子地觀察鍶量子氣體，“喀俄涅”構建完成。
他們使用該顯微鏡確認鍶氣體是一種超流體，即一種沒有黏性的量子物質相。這臺量子氣體顯微鏡有望用于模擬更復雜材料，揭示新的物質狀態，也可用于量子模擬，解釋當前計算機無法回答的問題。相關論文發表于最新一期《物理學評論X輯·量子》上。
(資料來源：科技日報)
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