JILA團(tuán)隊(duì)發(fā)明了看到量子世界的新方法

JILA科學(xué)家發(fā)明了一種新的成像技術(shù)，可以近乎即時(shí)的視覺(jué)藝術(shù)形式快速，精確地測(cè)量原子鐘中的量子行為。

該技術(shù)結(jié)合了光譜學(xué)，通過(guò)高分辨率顯微鏡從光和物質(zhì)之間的相互作用中提取信息。

如物理評(píng)論快報(bào)中所述，JILA方法在三維鍶晶格原子鐘中制作原子間能量的空間映射，提供有關(guān)每個(gè)原子的位置和能級(jí)或量子態(tài)的信息。

該技術(shù)可快速測(cè)量對(duì)原子鐘重要的物理效應(yīng)，從而提高時(shí)鐘精度，并可為磁性和超導(dǎo)等現(xiàn)象的研究添加新的原子級(jí)細(xì)節(jié)。將來(lái)，該方法可以讓科學(xué)家最終看到新的物理學(xué)，如量子物理學(xué)與引力之間的聯(lián)系。

JILA由標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)和科羅拉多大學(xué)博爾德分校共同運(yùn)營(yíng)。

“這種技術(shù)讓我們用激光和原子寫(xiě)出一段美麗的'音樂(lè)'，然后將其映射到一個(gè)結(jié)構(gòu)中并像石頭一樣凍結(jié)，這樣我們就可以看到聽(tīng)到不同激光音調(diào)的單個(gè)原子，閱讀直接作為形象，“JILA / NIST研究員Jun Ye說(shuō)。

原子位于所謂的量子簡(jiǎn)并氣體中，其中大量原子相互作用。這種“量子多體”現(xiàn)象正在將測(cè)量精度擴(kuò)展到新的極端。

為了準(zhǔn)備原子進(jìn)行美容拍攝，研究人員使用激光脈沖將大約10,000個(gè)鍶原子從低能基態(tài)驅(qū)動(dòng)到高能量激發(fā)態(tài)。然后，位于晶格下方的藍(lán)色激光通過(guò)原子垂直向上照射，相機(jī)拍攝原子投射的陰影，這是它們吸收多少光的函數(shù)?；鶓B(tài)原子吸收更多光。

得到的圖像是基態(tài)(藍(lán)色)和激發(fā)態(tài)(紅色)的原子的假色表示。白色區(qū)域代表大約50%紅色和50%藍(lán)色的精細(xì)混合物中的原子，產(chǎn)生斑駁的效果。之所以發(fā)生這種情況，是因?yàn)檫@些原子最初是以疊加的量子態(tài)，或者同時(shí)是地面和激發(fā)態(tài)制備的，并且成像測(cè)量會(huì)促使塌陷成兩種狀態(tài)之一，從而在圖像中產(chǎn)生“噪聲”。

作為演示，JILA團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一系列圖像，以映射晶格不同區(qū)域的小頻移或激發(fā)態(tài)原子的分?jǐn)?shù)。同時(shí)進(jìn)行比較的能力提高了測(cè)量一組原子的精度和速度。研究人員報(bào)告稱，在6小時(shí)內(nèi)測(cè)量頻率為2.5 x 10 -19(誤差僅為0.25億分之一億)的記錄精度達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的水平。成像光譜有望大大提高JILA原子鐘和其他原子鐘的精度。

成像光譜提供有關(guān)原子局部環(huán)境的信息，類似于掃描隧道顯微鏡提供的令人難以置信的分辨率。到目前為止，該方法已被用于生成二維圖像，但它可以制作基于逐層測(cè)量的三維圖像，就像斷層掃描一樣，它結(jié)合了固體物體的多個(gè)橫截面，Ye說(shuō)。

一種人造晶體，原子晶格也可以用作磁性或重力傳感器來(lái)測(cè)試不同物理領(lǐng)域之間的相互作用。你對(duì)未來(lái)使用時(shí)鐘中的原子作為重力傳感器的可能性感到非常興奮，看看在非常小的空間尺度上運(yùn)作的量子力學(xué)如何與廣義相對(duì)論，引力理論，宏觀力量相互作用。