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

美國(guó)麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家們首次捕捉到單個(gè)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(jù)報(bào)道，這些圖像顯示了自由活動(dòng)粒子之間的相互作用，這些相互作用直到現(xiàn)在才被理論化，這將使科學(xué)家們能夠直接觀察真實(shí)空間中的量子現(xiàn)象。

為了捕捉原子相互作用的詳細(xì)圖像，由麻省理工學(xué)院物理學(xué)家、該研究的主要作者M(jìn)artin Zwierlein博士領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種新技術(shù)，該技術(shù)允許原子在短暫凍結(jié)之前自由移動(dòng)，并照亮它們以捕捉它們的位置。

該團(tuán)隊(duì)利用該技術(shù)觀察了不同原子類(lèi)型的云，首次捕捉到了幾張開(kāi)創(chuàng)性的圖像。

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

探索云

原子是宇宙中最小的構(gòu)件之一，每個(gè)原子只有十分之一納米寬，大約比人類(lèi)的一根頭發(fā)細(xì)一百萬(wàn)倍。此外，它們還遵循量子力學(xué)的奇怪規(guī)則，這使得它們的行為難以觀察和理解。

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

這種不確定性長(zhǎng)期以來(lái)一直挑戰(zhàn)著試圖直接觀察原子行為的科學(xué)家，然而，傳統(tǒng)的成像方法，如吸收成像，只能提供一個(gè)模糊的視圖，捕捉原子云的整體形狀，而不是原子本身。

現(xiàn)在，為了克服這一挑戰(zhàn)，該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)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(dòng)和相互作用。

然后，研究人員打開(kāi)一個(gè)光晶格，將原子凍結(jié)在適當(dāng)?shù)奈恢茫⑹褂镁?xì)調(diào)諧的激光照射它們，使原子發(fā)出熒光 —— 一種原子或分子在被電激發(fā)后通過(guò)振動(dòng)松弛到基態(tài)的狀態(tài) —— 并顯示出它們的確切位置。

在不干擾精密系統(tǒng)的情況下捕捉這些光線是一項(xiàng)不小的壯舉。Zwierlein解釋說(shuō)：“你可以想象，如果你對(duì)這些原子使用火焰噴射器，它們不會(huì)喜歡那樣。”“所以，多年來(lái)我們已經(jīng)學(xué)會(huì)了一些如何做到這一點(diǎn)的技巧。”

根據(jù)物理學(xué)家的說(shuō)法，真正使這項(xiàng)技術(shù)比以前的方法更強(qiáng)大的是，他們第一次在原地通過(guò)凍結(jié)原子的運(yùn)動(dòng)來(lái)觀察它們之間的強(qiáng)烈相互作用，并一個(gè)接一個(gè)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(shù)捕捉了兩種基本粒子：玻色子和費(fèi)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(ài)因斯坦凝聚體（BEC），其中所有粒子都具有相同的量子態(tài)。

這證實(shí)了一個(gè)長(zhǎng)期以來(lái)基于路易斯·德布羅意理論的預(yù)測(cè)，即玻色子聚束是它們共享一個(gè)量子波的能力的直接結(jié)果 —— 這個(gè)假設(shè)被稱為德布羅意波，它幫助激發(fā)了現(xiàn)代量子力學(xué)的興起。

Zwierlein說(shuō)：“我們從這種波浪般的自然中了解了更多關(guān)于世界的信息。”“但觀察這些量子波狀效應(yīng)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(duì)兩種類(lèi)型的鋰原子云進(jìn)行了成像，每一種都是費(fèi)米子，通常排斥其他類(lèi)型的費(fèi)米子，但可以與特定的其他費(fèi)米子類(lèi)型強(qiáng)烈相互作用。然后，他們捕捉到這些相反的費(fèi)米子配對(duì)，揭示了超導(dǎo)性背后的關(guān)鍵機(jī)制。

他們現(xiàn)在計(jì)劃將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于探索更復(fù)雜和較少研究的量子態(tài)，包括在量子霍爾物理中看到的令人費(fèi)解的行為。這些場(chǎng)景包括相互作用的電子在磁場(chǎng)的影響下表現(xiàn)出不尋常的相關(guān)行為。

Zwierlein在一次新聞發(fā)布會(huì)上總結(jié)道：“這就是理論變得非常復(fù)雜的地方 —— 人們開(kāi)始畫(huà)畫(huà)，而不是寫(xiě)下一個(gè)完整的理論，因?yàn)樗麄儾荒芡耆鉀Q它。”“現(xiàn)在我們可以驗(yàn)證這些量子霍爾態(tài)的卡通是否真的存在。因?yàn)樗鼈兪欠浅Ｆ婀值臓顟B(tài)。”

這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。

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