中国科学院中国科学技术大学郭光灿院士团队在冷力学研究方面取得重要进展 原子 超分辨率成像。 该团队在离子阱系统中实现了单个离子的超分辨率成像。 结果发表在 “物理评论快报”.
冷原子系统是研究量子物理的理想实验平台，也是量子模拟实验研究的重要物理系统， 量子计算，以及量子精密测量。 冷原子系统的核心实验技术之一是高分辨率单粒子成像。 近十年来，冷原子系统显微成像技术发展迅速。 然而，新开发的技术仍受基本光学衍射极限的限制，分辨率只能达到光波长量级。 很难研究与波函数细节相关的量子现象。 研究这些问题需要光学超分辨率成像。
光学超分辨率成像已经发展成为化学和生物学领域的成熟工具。 然而，由于冷原子实验的复杂性，将超分辨率成像技术应用于冷原子系统极具挑战性。 在此之前，世界在单原子（离子）直接超分辨率成像方面还没有取得进展。
在这项研究中，研究人员采用了经典超分辨率成像领域的受激发射损耗（STED）显微镜的主要思想，并结合冷原子系统的原子量子态初始化和读取技术。 他们首次实现了对单个冷原子（离子）的直接超分辨成像。
实验结果表明，该成像方法的空间分辨率可以超过衍射极限一个数量级以上，使用数值孔径仅为175的物镜即可达到0.1 nm的成像分辨率。
为了进一步证明这种方法的时间分辨率优势，研究人员实现了 50 ns 的时间分辨率和单离子定位 10 nm，并使用这种方法清楚地捕获离子在陷阱中的快速谐波振荡。 理论上，通过增加成像物镜的数值孔径和耗尽光（甜甜圈光斑）的中心消光比，空间分辨率可以进一步提高到10 nm以下。
该实验技术可以推广到冷原子系统的多体和相关测量，并与其他冷原子系统具有良好的兼容性。 可应用于光晶格、中性原子光镊、冷原子离子混合系统。
参考：“纳秒时间尺度上单个冷原子的超分辨成像”，作者：钱钟华、崔金明、罗希旺、郑永祥、黄云峰、艾铭中、何冉，李传峰和郭广灿，23 年 2021 月 XNUMX 日， “物理评论快报”.
DOI：10.1103/PhysRevLett.127.263603
