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光學工程
研究人員利用激光技術困住費米子并拍攝粒子圖像

麻省理工學院的物理學家們發明了一種可以看到多達1000單獨費米子的顯微鏡。研究人員設計了一種基于激光技術,凍結并困住費米子并拍攝粒子圖像。

費米子包括有電子,質子,中子,夸克等核子組成的奇數的基本粒子——物質的構成是在眾多粒子交互排列形成了各種元素。因為他們的費米特性,電子和核物質在理論上很難理解,所以研究人員嘗試使用超冷氣體冷凍費米子原子。但費米子的單獨成像幾乎是不可能的,因為他們對光線非常敏感,當一個光子撞擊一個原子,粒子的位置會改變。

為了避免這些問題,新的成像技術使用了兩束激光束對準晶格中的費米子原子云。兩束不同的波長的光,冷凍原子云,降低費米子能級,最終達到基態。同時,每個費米子釋放光,被顯微鏡捕捉到,拍攝到費米子的確切位置。

研究人員用這項新技術能夠冷凍并拍攝超過95%的費米子。Martin Zwierlein,麻省理工學院物理學教授說還有一個有趣的現象,費米子拍完后還處于冷凍狀態。

“這意味著我知道他們在那里,我可以用一個小鑷子將它們移動到任何位置,并安排他們在任何模式我想。”Zwierlein說。研究結果發表在《物理評論快報》上。

在過去的二十年里,實驗物理學家研究超冷原子氣體的兩類粒子:費米子和玻色子,例如光子與費米子不同的是,可以在無限地占據相同的量子態。2010年,一個玻色子顯微鏡被麥克斯·普朗克量子光學研究所開發出來,用來揭示在強相互作用下玻色子的行為。然而,還沒有人發明了一種類似費密子顯微鏡。

冷卻原子到絕對零度的技術已經計劃了幾十年。在1995年,康奈爾的Carl Wieman和麻省理工的Wolfgang Ketterle實現了玻色-愛因斯坦凝聚,被授予2001年諾貝爾物理學獎。其他技術包括使用激光冷卻原子,從300攝氏度到接近絕對零度。

然而,觀察單獨的費米子需要進一步冷卻。要做到這一點,Zwierlein團隊創建了一種光學晶格,像一個盒子樣的結構,每個都可能困住一個費米子。通過激光冷卻,磁捕捉,進一步蒸發冷卻氣體等不同階段,得到略高于絕對零度——足夠使費米子進入光學晶格中。

他的團隊決定使用雙激光方法進一步冷卻原子;操縱原子的特定的能量水平或振動能量。團隊用兩束不同頻率的激光照射晶格。頻率的差異與費米子的能級一致。因此,當雙光束射向費米子,粒子會吸收較小的頻率,并從較大的頻率發出光子,反過來降低一個能級,穩定狀態。晶格上的鏡頭收集發射光子,記錄其精確位置。

“費米氣體的顯微鏡,和隨意擺弄原子位置的能力,可能是實現費米量子計算機的重要一步,”Zwierlein說。“有人會利用同樣的復雜量子規則,妨礙我們對電子系統的理解。”

Zwierlein說,這是一個很好的時機:大約在同一時間,他的團隊首先公布了結果,來自哈佛大學和斯特拉斯克萊德大學的團隊在格拉斯哥也發表了費密子在光晶格圖像,指出這種顯微鏡的美好未來。

這項研究的部分資金由美國國家科學基金會,美國空軍科學研究辦公室,美國海軍研究辦公室,陸軍研究辦公室,戴維和露西爾帕卡德基金會提供。


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