這些圖像是用一種新穎的技術拍攝的，這種技術可以使原子云在空間中自由移動和相互作用。

美國麻省理工學院（MIT）的科學家們首次捕捉到單個原子在空間中自由相互作用的圖像，取得了突破性的成就。

據報道，這些圖像顯示了自由活動粒子之間的相互作用，這些相互作用直到現在才被理論化，這將使科學家們能夠直接觀察真實空間中的量子現象。

為了捕捉原子相互作用的詳細圖像，由麻省理工學院物理學家、該研究的主要作者Martin Zwierlein博士領導的團隊開發了一種新技術，該技術允許原子在短暫凍結之前自由移動，并照亮它們以捕捉它們的位置。

該團隊利用該技術觀察了不同原子類型的云，首次捕捉到了幾張開創性的圖像。

Zwierlein說：“我們能夠看到這些有趣的原子云中的單個原子，以及它們彼此之間的關系，這很漂亮。”

探索云

原子是宇宙中最小的構件之一，每個原子只有十分之一納米寬，大約比人類的一根頭發細一百萬倍。此外，它們還遵循量子力學的奇怪規則，這使得它們的行為難以觀察和理解。

同時知道原子的確切位置和速度是不可能的 —— 這是量子物理學的一個基本原理，被稱為海森堡不確定性原理。

這種不確定性長期以來一直挑戰著試圖直接觀察原子行為的科學家，然而，傳統的成像方法，如吸收成像，只能提供一個模糊的視圖，捕捉原子云的整體形狀，而不是原子本身。

現在，為了克服這一挑戰，該團隊開發了一種稱為原子分辨顯微鏡的新方法，該方法首先允許原子云在松散的激光陷阱中自由移動和相互作用。

然后，研究人員打開一個光晶格，將原子凍結在適當的位置，并使用精細調諧的激光照射它們，使原子發出熒光 —— 一種原子或分子在被電激發后通過振動松弛到基態的狀態 —— 并顯示出它們的確切位置。

在不干擾精密系統的情況下捕捉這些光線是一項不小的壯舉。Zwierlein解釋說：“你可以想象，如果你對這些原子使用火焰噴射器，它們不會喜歡那樣。”“所以，多年來我們已經學會了一些如何做到這一點的技巧。”

根據物理學家的說法，真正使這項技術比以前的方法更強大的是，他們第一次在原地通過凍結原子的運動來觀察它們之間的強烈相互作用，并一個接一個地觀察它們。

量子快照

Zwierlein和他的同事利用他們的新成像技術捕捉了兩種基本粒子：玻色子和費米子之間的量子相互作用。

玻色子 —— 其中包括光子、膠子、希格斯玻色子、W和Z玻色子 —— 傾向于相互吸引，在低溫下被觀察到聚集在鈉原子云中，形成玻色-愛因斯坦凝聚體（BEC），其中所有粒子都具有相同的量子態。

這證實了一個長期以來基于路易斯·德布羅意理論的預測，即玻色子聚束是它們共享一個量子波的能力的直接結果 —— 這個假設被稱為德布羅意波，它幫助激發了現代量子力學的興起。

Zwierlein說：“我們從這種波浪般的自然中了解了更多關于世界的信息。”“但觀察這些量子波狀效應真的很難。然而，在我們的新顯微鏡中，我們可以直接看到這種波。”

研究人員還對兩種類型的鋰原子云進行了成像，每一種都是費米子，通常排斥其他類型的費米子，但可以與特定的其他費米子類型強烈相互作用。然后，他們捕捉到這些相反的費米子配對，揭示了超導性背后的關鍵機制。

他們現在計劃將這項技術應用于探索更復雜和較少研究的量子態，包括在量子霍爾物理中看到的令人費解的行為。這些場景包括相互作用的電子在磁場的影響下表現出不尋常的相關行為。

Zwierlein在一次新聞發布會上總結道：“這就是理論變得非常復雜的地方 —— 人們開始畫畫，而不是寫下一個完整的理論，因為他們不能完全解決它。”“現在我們可以驗證這些量子霍爾態的卡通是否真的存在。因為它們是非常奇怪的狀態。”

這項研究發表在《物理評論快報》雜志上。

如果朋友們喜歡，敬請關注“知新了了”！