Das Team des Akademikers GUO Guangcan von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat wichtige Fortschritte in der Erforschung der Erkältung gemacht Atom hochauflösende Bildgebung. Das Team erreichte eine superaufgelöste Bildgebung eines einzelnen Ions in einem Ionenfallensystem. Die Ergebnisse wurden veröffentlicht in Physical Review Letters.
Das System der kalten Atome ist eine ideale experimentelle Plattform für das Studium der Quantenphysik sowie ein wichtiges physikalisches System für die experimentelle Forschung zur Quantensimulation. Quantencomputingund Quantenpräzisionsmessung. Eine der zentralen experimentellen Techniken im System der kalten Atome ist die hochauflösende Einzelpartikel-Bildgebung. In den letzten zehn Jahren hat sich die mikroskopische Bildgebungstechnologie des kalten Atomsystems rasant entwickelt. Allerdings sind die neu entwickelten Technologien noch durch die fundamentale optische Beugungsgrenze limitiert und die Auflösung kann nur die Größenordnung optischer Wellenlängen erreichen. Es ist schwierig, Quantenphänomene im Zusammenhang mit den Details der Wellenfunktion zu studieren. Um solche Probleme zu untersuchen, ist eine optische hochauflösende Bildgebung erforderlich.
Die optische hochauflösende Bildgebung hat sich in den Bereichen Chemie und Biologie zu einem ausgereiften Werkzeug entwickelt. Aufgrund der Komplexität von Experimenten mit kalten Atomen ist es jedoch äußerst schwierig, hochauflösende Bildgebungstechnologie auf Systeme mit kalten Atomen anzuwenden. Zuvor hat die Welt noch keine Fortschritte bei der direkten hochauflösenden Abbildung einzelner Atome (Ionen) gemacht.
In dieser Studie übernahmen die Forscher die Grundidee der Stimulated Emission Depletion (STED)-Mikroskopie im klassischen Super-Resolution-Imaging-Bereich und kombinierten sie mit der atomaren Quantenzustands-Initialisierungs- und Lesetechnologie des Kalten-Atom-Systems. Sie realisierten zum ersten Mal direkt eine superaufgelöste Abbildung eines einzelnen kalten Atoms (Ions).
Experimentelle Ergebnisse zeigten, dass die räumliche Auflösung des Abbildungsverfahrens die Beugungsgrenze um mehr als eine Ordnung überschreiten kann und die Abbildungsauflösung von 175 nm mit einem Objektiv mit einer numerischen Apertur von nur 0.1 erreicht werden kann.
Um den Zeitauflösungsvorteil dieser Methode weiter zu demonstrieren, erreichten die Forscher sowohl eine Zeitauflösung von 50 ns als auch eine Einzelionenpositionierung Genauigkeit von 10 nm und nutzten diese Methode, um die schnellen harmonischen Schwingungen des Ions in der Falle deutlich zu erfassen. Theoretisch kann durch Erhöhung der numerischen Apertur des Abbildungsobjektivs und des Mitten-Extinktionsverhältnisses des verarmten Lichts (des Donut-Spots) die räumliche Auflösung weiter auf unter 10 nm verbessert werden.
Diese experimentelle Technik kann auf die Mehrkörper- und Korrelationsmessung kalter Atomsysteme erweitert werden und ist gut mit anderen kalten Atomsystemen kompatibel. Es kann auf optische Gitter, optische Pinzetten für neutrale Atome und Kaltatom-Ionen-Hybridsysteme angewendet werden.
Referenz: „Super-Resolved Imaging of a Single Cold Atom on a Nanosecond Timescale“ von Zhong-Hua Qian, Jin-Ming Cui, Xi-Wang Luo, Yong-Xiang Zheng, Yun-Feng Huang, Ming-Zhong Ai, Ran He , Chuan-Feng Li und Guang-Can Guo, 23. Dezember 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.263603
