Разработана технология получения изображения холодного атома со сверхвысоким разрешением
Группа академика Гуо Гуангцана из Университета науки и технологий Китая (USTC) Китайской академии наук добилась значительного прогресса в исследованиях изображений сверхвысокого разрешения холодных атомов в наносекундной шкале времени . Команда добилась сверхвысокого разрешения изображения одиночного иона в системе ионной ловушки. Результаты были опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Система холодного атома является идеальной экспериментальной платформой для изучения квантовой физики, а также важной физической системой для экспериментальных исследований в области квантового моделирования и квантовых вычислений.
Одним из основных экспериментальных методов в системе холодных атомов является получение изображений отдельных частиц с высоким разрешением. За последние десять лет технология микроскопических изображений системы холодных атомов быстро развивалась. Однако недавно разработанные технологии все еще ограничены фундаментальным пределом оптической дифракции, и разрешение может достигать порядка длины волны оптического излучения.
Трудно изучать квантовые явления, связанные с деталями волновой функции. Для изучения таких проблем требуется оптическая визуализация сверхвысокого разрешения.
Оптическая визуализация сверхвысокого разрешения превратилась в зрелый инструмент в области химии и биологии. Однако из-за сложности экспериментов с холодным атомом чрезвычайно сложно применить технологию визуализации сверхвысокого разрешения к системам с холодным атомом. До этого мир еще не добился прогресса в прямом отображении одиночных атомов (ионов) со сверхвысоким разрешением.
В этом исследовании ученые приняли основную идею микроскопии истощения стимулированной эмиссии (STED) в классической области визуализации сверхвысокого разрешения и объединили ее с технологией инициализации и считывания квантового состояния атома системы холодных атомов. Они впервые осуществили визуализацию одиночного холодного атома (иона) со сверхвысоким разрешением.
Экспериментальные результаты показали, что пространственное разрешение метода визуализации может превышать дифракционный предел более чем на порядок, а разрешение визуализации 175 нм может быть достигнуто при использовании объектива с числовой апертурой всего 0,1.
Чтобы еще больше продемонстрировать преимущество этого метода во временном разрешении, исследователи достигли временного разрешения в 50 нс и точности позиционирования отдельного иона в 10 нм и использовали этот метод для четкого захвата быстрых гармонических колебаний иона в ловушке.
Теоретически, увеличивая числовую апертуру объектива изображения и коэффициент экстинкции в центре обедненного света (пятно в виде пончика), пространственное разрешение может быть дополнительно улучшено до менее 10 нм.
Этот экспериментальный метод можно распространить на многочастичные и корреляционные измерения систем холодных атомов, и он хорошо совместим с другими системами холодных атомов. Его можно применять к оптическим решеткам, оптическим пинцетам с нейтральными атомами и гибридным системам с холодным атомом и ионом.