（來源：MIT Technology Review）

近日，麻省理工學院的物理學家們宣布首次捕捉到單個原子在空間中自由相互作用的圖像。這些圖像揭示了“自由活動”粒子之間的相關性，此前這些相關性僅存在于理論預測中，從未被直接觀測到。

該研究成果以題為“Measuring Pair Correlations in Bose and Fermi Gases via Atom-Resolved Microscopy”發表于Physical Review Letters期刊，將助力科學家們在現實空間中可視化前所未有的量子現象。

這些圖像是團隊利用自主研發的技術拍攝而成。該技術先讓原子云自由移動并相互作用，接著開啟光晶格，短暫凍結原子的運動軌跡，隨后運用經過微調的激光快速照射懸浮的原子，在原子自然消散前拍下其位置圖像。

物理學家們運用這項技術對不同類型的原子云進行可視化研究，并取得多項成像領域的首次突破。研究人員直接觀測到了被稱為“玻色子”的原子，這類原子在量子現象中會聚集形成波；他們還捕捉到被稱為“費米子”的原子在自由空間中的配對過程，這是實現超導性的關鍵機制。

麻省理工學院的弗蘭克物理學教授 Thomas A. Martin Zwierlein 表示：“能夠看到這些有趣的原子云中的單個原子以及它們之間的關系，太奇妙了。”

同期雜志上，另外兩個研究小組也報告了使用類似成像技術的成果。其中，由諾貝爾物理獎得主、麻省理工學院約翰·麥克阿瑟物理學教授 Wolfgang Ketterle 領導的小組可視化了玻色子之間增強的配對相關性。他是首批制造出由鈉原子組成的玻色-愛因斯坦凝聚態的人之一；另一組來自巴黎高等師范學院，由 Tarik Yefsah 帶領的團隊對一團不相互作用的費米子云進行了成像。

單個原子成像

單個原子的直徑約為十分之一納米，相當于人類頭發絲厚度的百萬分之一。與頭發不同，原子的行為和相互作用遵循量子力學規則，其量子特性使得原子難以被理解。例如，我們無法同時精確知曉原子的位置和運動速度。

科學家有多種方法對單個原子進行成像，比如吸收成像技術，即通過激光照射原子云，將其陰影投射到相機屏幕上。

Zwierlein 指出：“這些技術能讓我們看到原子云的整體形狀和結構，但無法觀測到單個原子。這就好比能看到天空中的云朵，卻看不見構成云朵的單個水分子。”

他和同事采用了一種截然不同的方法，實現了對自由空間中相互作用原子的直接成像。他們的技術名為“原子分辨顯微鏡”。首先，將一團原子云聚集在一個由激光束形成的松散陷阱中，使原子在其中能夠自由相互作用；接著，研究人員開啟光晶格，凍結原子的位置，再用第二束激光照射懸浮的原子，通過原子發出的熒光確定它們各自的位置。

“最困難的部分在于收集原子發出的光，同時又不能讓原子從光晶格中逸出。可以想象，要是用噴火器靠近這些原子，它們可受不了。這些年，我們摸索出了一些技巧。這是我們首次在原子強烈相互作用的原位進行觀測，能瞬間凍結它們的運動，然后逐個觀察。這也讓這項技術比以往更強大。”Zwierlein 表示。

原子間相互作用

該團隊運用成像技術，直接觀測玻色子和費米子之間的相互作用。光子是玻色子的一種，而電子屬于費米子。原子究竟是玻色子還是費米子，取決于其總自旋，而這又由質子、中子和電子總數的奇偶性決定。一般來說，玻色子相互吸引，費米子相互排斥。

Zwierlein 及其同事首次成像了由鈉原子組成的玻色子云。在低溫條件下，玻色子云會形成玻色-愛因斯坦凝聚態，即所有玻色子共享同一量子態的物質狀態。

Zwierlein 的研究小組如今能夠對云中的單個鈉原子進行成像，以觀測它們的量子相互作用。長期以來，人們一直預測玻色子會相互“聚集”，彼此靠近的概率更大。這種聚集現象是它們共享同一量子力學波的直接結果。這種波動特性最早由物理學家 Louis de Broglie 提出，正是“德布羅意波”假說在一定程度上開啟了現代量子力學的大門。

“我們從這種波動特性中對世界有了更多了解。但要觀測這些量子波動效應非常困難。不過，借助我們的新顯微鏡，現在可以直接看到這種波。”

在成像實驗中，麻省理工學院團隊首次在原位觀察到玻色子因共享量子相關的德布羅意波而聚集在一起的現象。該團隊還對一團由兩種鋰原子組成的原子云進行了成像。每種類型的鋰原子都是一個費米子，它們會自然排斥同類，但能與其他特定類型的費米子強烈相互作用。在對這團原子云進行成像時，研究人員觀察到，不同類型的費米子確實會相互作用并形成費米子對，這是他們首次得以直接觀測到的耦合現象。

該研究的共同作者 Richard Fletcher 說：“這種配對是人們用于解釋實驗的數學結構基礎。但當看到這樣的圖像時，原本只存在于數學世界中的概念就直觀地呈現在眼前。這很好地提醒我們，物理學研究的是真實存在的事物。”

展望未來，該團隊將運用成像技術，對更多奇特且尚未被充分理解的現象進行可視化研究，比如“量子霍爾物理學”——相互作用的電子在磁場環境下展現出新奇相關行為的現象。

“這就是理論變得極其復雜的地方——人們開始畫圖，而不是能夠寫出一個完整的理論，因為他們無法完全解決它，”Zwierlein 說，“現在我們可以驗證這些量子霍爾態的‘草圖’是否真實存在。因為這些態確實非常奇特。”

https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-snap-first-images-free-range-atoms-0505