量子模拟的新显微镜技术

蜂窝晶格中超冷原子的示意图。单个晶格位可以用量子放大器分辨。

汉堡Universität激光物理研究所的研究人员开发了一种量子气体显微镜的新技术，现在可以对三维量子系统成像。他们在《自然》杂志上报道了新方法，该方法可以用于探索全新的体制。

在量子模拟中，研究人员在实验室中研究一个受控的量子系统，以了解另一个受控较少的系统的物理学。例如，有人利用被困在激光驻波中的超冷原子来模拟固态材料中的电子物理，并对它们的量子相获得新的见解。除了系统的可控准备之外，成像也是至关重要的。例如，量子气体显微镜允许检测量子系统中的所有粒子，因此可以使用任意的相关函数来表征状态。这种技术是基于通常间隔半微米的点阵位置的光学分辨率，因此以前仅限于二维系统的景深。

在由克里斯托夫·韦滕贝格博士和克劳斯·森斯托克教授领导的汉堡研究人员开发的新方法中，这一问题现在被克服了，三维系统的分辨率也成为可能。他们两人也在卓越集群“CUI: Advanced Imaging of Matter”进行研究。为了达到这个目的，科学家们使用了所谓的物质波光学，即把超冷原子自身的密度分布放大90倍。在这种放大之后，原子的光学成像是完全可能的，不受衍射或景深的限制。物质波光学是基于一个以谐振阱形式出现的透镜，它被开启四分之一周期，然后原子自由膨胀。这两个过程导致了真实空间和动量空间之间的转换，并结合起来，到放大的图像。

研究人员利用新技术研究了超冷铷原子在光学晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚。通过这种方法，他们可以对玻色-爱因斯坦凝聚态的相变进行特别精确的测量。下一步，研究人员希望进一步发展新的显微镜技术。这样就可以在每个晶格点只有几个原子的情况下，单独检测所有原子。此外，通过修改物质波光学，不仅可以测量密度，还可以测量系统的相干性。卢卡·阿斯特里亚和他的同事们一起开发了这项技术，他解释说:“有了这项显微镜技术，我们可以探索以前无法探索的全新机制。”