【儀器網(wǎng) 技術(shù)前沿】量子氣體顯微鏡是一種利用超冷原子的技術(shù)，可以實現(xiàn)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(xiàn)出一些奇妙的量子效應(yīng)，比如玻色-愛因斯坦凝聚和費米子超流。
量子物理學(xué)需要借助高精度傳感技術(shù)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(tǒng)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(fā)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(tài)，甚至可以對它們進(jìn)行單點操作，比如激發(fā)、移動、交換等。量子氣體顯微鏡的出現(xiàn)，使得我們可以用超冷原子來模擬一些復(fù)雜的量子系統(tǒng)，比如量子多體系統(tǒng)、量子相變、量子計算等，這對于理解量子物理的本質(zhì)和發(fā)展量子技術(shù)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(zhì)更簡單，這意味著鍶能提供更多信息。此外，鍶的獨特性質(zhì)也使其在量子計算和量子模擬領(lǐng)域備受關(guān)注。例如，鍶原子云可用作原子量子處理器，解決當(dāng)前經(jīng)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(xué)技術(shù)學(xué)院(ICFO)科學(xué)家建造了全球首臺能對鍶量子氣體內(nèi)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(gòu)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(nèi)，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(xué)定律支配，表現(xiàn)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(xué)晶格，使原子沿空間排列成網(wǎng)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(gòu)建完成。
他們使用該顯微鏡確認(rèn)鍶氣體是一種超流體，即一種沒有黏性的量子物質(zhì)相。這臺量子氣體顯微鏡有望用于模擬更復(fù)雜材料，揭示新的物質(zhì)狀態(tài)，也可用于量子模擬，解釋當(dāng)前計算機無法回答的問題。相關(guān)論文發(fā)表于最新一期《物理學(xué)評論X輯·量子》上。
(資料來源：科技日報)
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