使用量子顯微鏡精確繪制原子的 3D 位置

科學家們首次在一張圖像中測量了3D空間中單個原子的位置，開辟了一種觀察材料中量子相互作用的新方法。

由德國波恩大學和英國布里斯托爾大學的研究人員開發的新方法利用了精確的量子氣體顯微鏡設置、誘捕在光籠內的超冷氣體原子，并在所謂的量子氣體顯微鏡中測量它們的特性。

雖然科學家之前已經繪制了三個空間維度的原子圖，但目前的方法需要多次圖像曝光和缺乏高分辨率量子氣體顯微鏡。現在，它可以更快地完成，一次測量所有三個維度。

量子氣體顯微鏡的先前應用提供了平面上原子排列的描述，為研究人員提供了原子對的X和Y坐標。

通過使原子發出的光變形，研究人員現在增加了一個垂直的Z位置，描述了原子的“向上”位置。

“變形的波前不是典型的圓形斑點，而是在相機上產生一個啞鈴形狀，圍繞自身旋轉，”說來自波恩大學的量子物理學家安德里亞·阿爾貝蒂（Andrea Alberti）。

“這個啞鈴指向的方向取決于光從原子到相機的傳播距離。

通過應用于“啞鈴”形狀的一些巧妙數學計算該距離，可以測量原子沿 Z 軸的位置。這一新見解為研究人員提供了更敏銳的工具量子實驗需要精度和控制的地方。

“因此，啞鈴的作用有點像指南針上的針，允許我們根據其方向讀取Z坐標，”說波恩大學的量子物理學家Dieter Meschede。

該團隊相信，他們開發的技術在未來可以進一步改進，并且可以適應量子氣體顯微鏡以外的不同設置。

更重要的是，用這種方法有可能開發新的量子材料，這些材料是按訂單定制的，并達到特定的結果。關于宇宙，我們還有很多不了解的地方在最小的尺度上，但這應該會有所幫助。

“例如，我們可以研究當原子按一定順序排列時會發生哪些量子力學效應，”說來自布里斯托爾大學的量子物理學家Carrie Weidner。

“這將使我們能夠在某種程度上模擬三維材料的特性，而不必合成它們。

該研究已發表在體檢 A.

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