麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們發(fā)明了一種可以看到多達1000單獨費密子的顯微鏡。研究人員設(shè)計了一種基于激光技術(shù)，凍結(jié)并困住費米子并拍攝粒子圖像。
費米子包括有電子，質(zhì)子，中子，夸克等核子組成的奇數(shù)的基本粒子——物質(zhì)的構(gòu)成是在眾多粒子交互排列形成了各種元素。因為他們的費密特性，電子和核物質(zhì)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密子原子。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(shù)使用了兩束激光束對準晶格中的費密子原子云。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(tài)。同時，每個費密子釋放光，被顯微鏡捕捉到，拍攝到費密子的確切位置。
研究人員用這項新技術(shù)能夠冷凍并拍攝超過95%的費密子。Martin Zwierlein，麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授說還有一個有趣的現(xiàn)象，費米子拍完后還處于冷凍狀態(tài)。
“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(jié)果發(fā)表在《物理評論快報》上。
在過去的二十年里，實驗物理學(xué)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(jù)相同的量子態(tài)。2010年，一個玻色子顯微鏡被麥克斯·普朗克量子光學(xué)研究所開發(fā)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(fā)明了一種類似費密子顯微鏡。冷卻原子到絕對零度的技術(shù)已經(jīng)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(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚，被授予2001年諾貝爾物理學(xué)獎。其他技術(shù)包括使用激光冷卻原子，從300攝氏度到接近絕對零度。
然而，觀察單獨的費密子需要進一步冷卻。要做到這一點，Zwierlein團隊創(chuàng)建了一種光學(xué)晶格，像一個盒子樣的結(jié)構(gòu)，每個都可能困住一個費密子。通過激光冷卻，磁捕捉，進一步蒸發(fā)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(xué)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。頻率的差異與費密子的能級一致。因此，當雙光束射向費密子，粒子會吸收較小的頻率，并從較大的頻率發(fā)出光子，反過來降低一個能級，穩(wěn)定狀態(tài)。晶格上的鏡頭收集發(fā)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(xiàn)費米量子計算機的重要一步，”Zwierlein說。“有人會利用同樣的復(fù)雜量子規(guī)則，妨礙我們對電子系統(tǒng)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(jié)果，來自哈佛大學(xué)和斯特拉斯克萊德大學(xué)的團隊在格拉斯哥也發(fā)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(xué)基金會，美國空軍科學(xué)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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