很多朋友都用過顯微鏡，通過顯微鏡觀察一些微小的物體可謂是幫人類打開了新世界的大門。那么有沒有可能用類似的手段觀察到更小的物體——比如單個原子呢？

我們學(xué)習(xí)中學(xué)物理時，老師告訴我們用普通的光學(xué)顯微鏡來觀察一個原子是不可能的，因為原子的尺度比可見光的波長要小。

新西蘭奧塔哥大學(xué)的副教授、原子物理系的主管米克·安德生博士（Mikkel Andersen）的老師也是這么教的，但安德生沒有接受這個說法，甚至用他童年的好奇心去克服困難，創(chuàng)造了一種捕獲、孤立和拍攝一個原子的技術(shù)。 我最近得以和他一起探討這個研究，不過在我們深入之前，先來了解一下：為什么用光來觀測單個原子這件事如此困難？

01為什么說不可能呢？

我們耳熟能詳?shù)氖滓蚓褪?，光的波長要遠(yuǎn)大于單個原子的大小。普通光學(xué)顯微鏡依賴樣品的反射光波來工作，它的鏡片可以通過折射來收集光線，就和我們用眼睛觀察東西是一樣的。

光學(xué)顯微鏡

就像射擊一樣，較長波長的光波很難擊中小小的原子并與之發(fā)生相互作用。 還有另一個問題，“抓住”一個原子很難，不光是因為它們太小了，還因為它們運動得很快，原子以接近聲速的速度飛來飛去，連一群都捕獲不到，更何況是單個的原子呢。 你以為就只有這些問題嗎？原子們還喜歡一起“玩”，所以抓到它們其中的一個，并且把其他同伴分開非常困難。 那么有沒有什么辦法能夠?qū)崿F(xiàn)這一點呢？

02用激光讓原子“冷靜”下來

首先我們需要讓跑太快的原子慢下來。安德生選擇的是利用一種捕獲微小樣品的激光冷卻技術(shù)，這個技術(shù)就像一把光做的鑷子，可以減緩單個原子得運動速度并夾住它。

利用6束不同方向的激光束縛原子

光波不會加速，但是光有動量，動量是可以在電磁場和物體之間發(fā)生交換的。這樣我們就可以理解為光提供了一個“光學(xué)力”。 光線“砸在”所有它照射的物體上，當(dāng)然也包括你我，但我們?nèi)粘？吹降奈矬w都太大了，以至于這個作用微乎其微，可以忽略。 可是到了納米級別的微小尺度上，這個影響就顯現(xiàn)出來了，因為原子太小了，所以光的作用就變得很重要。我們舉個例子——彗星和尾巴。彗星的彗尾就是太陽光與彗星上微觀物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的。

“激光冷卻”就是利用這個作用的過程，可以將物質(zhì)的溫度降至絕對零度以上百萬分之一度。將一束能量很高的激光迎面打到運動的原子上，激光的光波便可以使原子的運動速度減慢到可以觀測的程度。（注：一般所說的“冷卻原子”就是減緩原子速度的意思。） 當(dāng)然這里的激光也不是隨便的激光，它的頻率必須和目標(biāo)原子的震動頻率相同，有了這點要求，激光和原子的選取就都需要考慮，為了將成本降低，安德生選擇了銣原子，因為它的頻率與影碟機里用來讀取CD的激光是相一致的，這種激光成本很低。

銣原子模型

03從多到一

現(xiàn)在我們來講講單個原子的問題，不過安德生是從50個原子開始的，激光冷卻下來這一堆原子后，他們就需要從中“敲出”一個來。他們利用了另外一束“準(zhǔn)共振”光波，所謂的準(zhǔn)共振光，就是接近原子頻率但不完全相等的光波，可以讓原子群內(nèi)部的原子互相碰撞，這個過程需要不斷重復(fù)，產(chǎn)生足夠的能量，直到撞出單個的原子。

分子被光束打散

有一些研究團(tuán)隊也做過相似的實驗，但成功率只有大約一半；安德生說，光和原子聚集體碰撞時產(chǎn)生的能量對于實驗的完成率有很大影響。 原子聚集體更可能一對對地彈出原子，如果沒有控制原子團(tuán)的初始數(shù)目的話，那他們就有一半的可能利用奇數(shù)個原子開始實驗，原子一對對分離后可以剩余一個單原子，這也是為什么他們有50%的成功幾率。要通過控制原子團(tuán)內(nèi)部碰撞釋放的能量來解決這個問題，而這個能量需要能使一個原子分離而又不能讓它們成對。

04納米科學(xué)的深空技術(shù)

終于，我們在一個大概合適的位置有了一個合適的原子，為了能看到它，我們首先需要一個鏡片，一種用于太空望遠(yuǎn)鏡的可以看深空的鏡片。

在捕獲這個原子至鏡片焦點位置時，我們可以發(fā)射一束準(zhǔn)共振光使粒子發(fā)射出熒光，熒光成像就是這么個過程。這時候深空望遠(yuǎn)鏡鏡片就派上了用場——它們專門用來在無邊的黑暗中探測一點點光子。 此時你就只需要按下快門鍵了?，F(xiàn)在我們已經(jīng)完成了冷卻、捕獲、分離、拍攝一個原子這幾個步驟了。

安德生實驗中單個銣-85原子圖像，來源：奧塔哥大學(xué)原子物理實驗室官網(wǎng)

05從一到多

上面那個照片是2010年照的，之后他們開始更進(jìn)一步，在研究中增加原子，來研究控制化學(xué)反應(yīng)的基本過程。 他們利用光鑷子來使兩個單獨的原子結(jié)合在一起，然后再測量這個過程釋放的能量。最近他們甚至把原子的數(shù)量提高到了三個。

在討論近期科研內(nèi)容時，安德生還告訴我他們在嘗試人工糾纏原子。高度量子糾纏的條件下，兩個糾纏的粒子即使在相距很遠(yuǎn)的情況下也都可以決定對方的狀態(tài)。相比于單個原子，只需要給冷卻激光加上更多的控制條件，就可能操作兩個原子，使其互相糾纏。 這些東西聽起來是不是還挺帶感的？但能用來干什么呢？

06原子精度的未來

首先，這個方向的研究可能可以用于量子計算機，雖然這并非是研究人員的本意，但看起來控制單個原子這樣的技術(shù)確實對于在量子計算機中實現(xiàn)量子比特有幫助。 單原子控制技術(shù)同時也給我們實現(xiàn)晶體管的物理極限提供了路徑，這樣的話晶體管的尺寸就可以降到雙原子量級了。

單原子晶體管模型

我們實現(xiàn)了“掌握一個原子”的技術(shù)，便可以深入了解原子是怎么和孤立環(huán)境反應(yīng)的，又是怎么相互結(jié)合的，或者還可以創(chuàng)造出一些本來不能通過自組裝合成的分子。 雖然我們已經(jīng)看到了研究的“成品”，但是我們距離商業(yè)化量子比特或是制造原子精度的產(chǎn)品還是有一些時間，安德生給我解釋了這樣的研究無法變現(xiàn)的原因。

他解釋說，這個工作其實對于需要全面控制的原子系統(tǒng)來說很基礎(chǔ)，只是目前這個系統(tǒng)非常脆弱，而且用銣原子來研究已經(jīng)節(jié)省了很多成本（利用了市場中較成熟的激光技術(shù)），如果要更換其它原子，那就需要更換不同頻率的激光、準(zhǔn)共振光，這些也會消耗許多成本，引入更多原子的同時也會使過程更復(fù)雜。在合成新的分子時，大多數(shù)原子結(jié)合的形式也不是化學(xué)穩(wěn)定的，讓原子們避開環(huán)境中的原子、和特定原子結(jié)合也需要很多能量。

安德生和他的團(tuán)隊在查看他們用來控制原子的設(shè)備

當(dāng)然這個技術(shù)本身是否合適應(yīng)用也是個問題——新方法應(yīng)用的前提，要么是能制造出傳統(tǒng)方式不能生產(chǎn)的產(chǎn)品，要么是在成本和效率方面都比其他方法優(yōu)異。

07寫在最后

這些困難看起來好像都挺棘手的，但安德生認(rèn)為他們的研究對于后續(xù)需要解決的相關(guān)問題提供了重要的工具和經(jīng)驗。 對于后生們來說，有人在研究你正在想的可能有點瘋狂的想法一定很振奮吧，這些就存在于我們生活中、組成了我們的原子，有人正嘗試著去用它們形成差不多大小的新東西。 或許下次老師說什么你有些懷疑的東西的時候，你也可以做一個顛覆的人——只要再想深入一些。

原文鏈接：https://williamslater2003.medium.com/holding-a-single-atom-da18a674f559

編輯：jq