Группа академика ГУО Гуанцана из Университета науки и технологии Китая (USTC) Китайской академии наук добилась значительного прогресса в исследованиях холода. атом изображения сверхвысокого разрешения. Команда достигла сверхвысокого разрешения изображения одного иона в системе ионной ловушки. Результаты опубликованы в Physical Review Letters,.
Система холодных атомов является идеальной экспериментальной платформой для изучения квантовой физики, а также важной физической системой для экспериментальных исследований по квантовому моделированию. квантовые вычисления, и квантовая точность измерения. Одним из основных экспериментальных методов в системе холодного атома является построение одночастичных изображений с высоким разрешением. За последние десять лет технология получения микроскопических изображений системы холодного атома быстро развивалась. Однако недавно разработанные технологии все еще ограничены фундаментальным пределом оптической дифракции, и разрешение может достигать только порядка длины оптической волны. Квантовые явления, связанные с деталями волновой функции, сложно изучать. 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 исследователи 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 дополнительно продемонстрировать преимущество этого метода в разрешении по времени, исследователи достигли разрешения по времени 50 нс и определения местоположения одного иона. точность 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 может быть расширен до многомерных и корреляционных измерений систем холодных атомов и имеет хорошую совместимость с другими системами холодных атомов. Его можно применять для оптических решеток, оптических пинцетов для нейтральных атомов и гибридных систем с холодными атомами и ионами.
Ссылка: «Изображение одиночного холодного атома со сверхвысоким разрешением в наносекундной шкале времени», авторы Чжун-Хуа Цянь, Цзинь-Мин Цуй, Си-Ван Луо, Юн-Сян Чжэн, Юн-Фэн Хуан, Мин-Чжун Ай, Ран Хэ. , Чуан-Фэн Ли и Гуан-Цань Го, 23 декабря 2021 г., Physical Review Letters,.
DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.263603
