Наноразмерная микроскопия атомной плотности

Физики продемонстрировали новый способ получения важных деталей, которые описывают изолированную квантовую систему, такую ​​как атомный газ, посредством прямого наблюдения. Новый метод дает информацию о вероятности обнаружения атомов в определенных местах в системе с беспрецедентным пространственным разрешением. С помощью этой техники ученые могут получить детали в масштабе десятков нанометров — меньше, чем размер вируса.

Эксперименты, выполненные в Объединенном квантовом институте (JQI), исследовательском партнерстве между Национальным институтом стандартов и технологий (NIST) и Университетом Мэриленда, используют оптическую решетку — сеть из лазерного света, которая подвешивает тысячи отдельных атомов — для определения вероятность того, что атом может быть в любом данном месте. Поскольку каждый отдельный атом в решетке ведет себя так же, как и все остальные, измерение всей группы атомов показывает вероятность того, что отдельный атом окажется в определенной точке пространства.

Опубликованный в журнале Physical Review X, метод JQI (и аналогичный метод, опубликованный одновременно группой в Чикагском университете) может дать вероятность расположения атомов значительно ниже длины волны света, используемого для освещения атомов — в 50 раз лучше, чем предел того, что обычно может разрешить оптическая микроскопия.

«Это демонстрация нашей способности наблюдать квантовую механику», — сказал Трей Порту из JQI, один из физиков, стоящих за исследовательской работой. «Этого никогда не было сделано с атомами с такой точностью».

Чтобы понять квантовую систему, физики часто говорят о ее «волновой функции». Это не просто важная деталь; это целая история. Она содержит всю информацию, необходимую для описания системы.«Если у вас есть информация о волновой функции, вы можете рассчитать все остальное, например, магнетизм объекта, его проводимость и вероятность испускать или поглощать свет» — говорят ученые.

Хотя волновая функция является математическим выражением, а не физическим объектом, метод команды исследователей может выявить поведение, которое описывает волновая функция: вероятности того, что квантовая система будет вести себя так или иначе. В мире квантовой механики вероятность — это все.

Среди многих странных принципов квантовой механики есть идея, что, прежде чем мы измерим их положения, объекты могут не иметь точного местоположения. Например, электроны, окружающие ядро ​​атома, не движутся по регулярным планетоподобным орбитам, что противоречит образу, который некоторые из нас получили в школе. Вместо этого они действуют как волнообразные объекты, так что нельзя сказать, что сам электрон находится в определенном месте. Скорее электроны находятся в нечетких областях пространства.

Все объекты могут иметь такое волнообразное поведение, но для чего-либо достаточно большого эффекта нет, и действуют правила классической физики — мы не замечаем, как большие предметы — дома, автомобили или люди растекаются как волны. Но изолируйте крошечный объект, такой как атом, и получится ситуация другая, потому что атом существует в области размеров, где господствуют законы квантовой механики. Невозможно с уверенностью сказать, где находится атом, мы можем утверждать только то, что его где-то найдут. Волновая функция обеспечивает набор вероятностей того, что атом будет найден в любом заданном месте.

Квантовая механика достаточно хорошо понимается — физиками, во всяком случае для достаточно простой системы эксперты могут вычислять волновую функцию из первых принципов без необходимости ее наблюдения. Однако многие интересные системы очень сложны.

«Существуют квантовые системы, которые невозможно рассчитать, потому что они слишком сложные», — говорят ученые, — например, молекулы, состоящие из нескольких крупных атомов. «Новый подход может помочь нам понять эти ситуации».

Поскольку волновая функция описывает только набор вероятностей, как физики могут получить полную картину своих эффектов в короткие сроки? Подход ученых предполагает одновременное измерение большого количества идентичных квантовых систем и объединение результатов в одну общую картину. Это похоже на бросок 100 000 пар игральных костей одновременно — каждый бросок дает один результат и дает одну точку на кривой вероятности, показывающую значения всех игральных костей.

Физики наблюдали за положением примерно 100 000 атомов иттербия, которые оптическая решетка приостанавливает в лазерах. Атомы иттербия изолированы от своих соседей и ограничены движением вперед и назад вдоль одномерного отрезка. Чтобы получить изображение с высоким разрешением, команда ученых нашла способ наблюдать узкие срезы этих линейных сегментов и частоту появления каждого атома в своем соответствующем срезе. После наблюдения одного региона ученые измерили другой, пока не получили полную картину.

«Не совсем очевидно, где это будет использоваться, но это новая техника, которая предлагает новые возможности», — говорят ученые. «Мы использовали оптическую решетку для захвата атомов в течение многих лет, и теперь она стала новым инструментом измерения».

S. Subhankar et al, Nanoscale Atomic Density Microscopy, Physical Review X(2019). DOI: 10.1103/PhysRevX.9.021002