一部分實驗裝置

由Francesca Ferlaino領(lǐng)導(dǎo)的研究小組首次用光學(xué)鑷子捕獲了單個鉺原子，為原子物理學(xué)樹立了新的里程碑。鉺的復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)開辟了新的自由度和可能性，這一進(jìn)展為量子科學(xué)的一系列創(chuàng)新實驗打開了大門。這項研究發(fā)表在《物理評論快報》上。

這項成果為研究具有多個價電子的元素提供了一種開創(chuàng)性的方法——這一領(lǐng)域以前主要由具有一個或兩個價電子的簡單原子主導(dǎo)。擁有 14 個價電子的鉺引入了新的自由度，為量子實驗帶來了令人興奮的機(jī)會，使人們能夠探索以前未知的原子行為。

實驗的聯(lián)合導(dǎo)師Manfred Mark解釋說：“這些原子的復(fù)雜性使我們能夠探索粒子間更細(xì)微的相互作用，為開發(fā)新實驗提供了一個具有驚人潛力的量子樂園。”

復(fù)雜的原子控制和新型成像技術(shù)

除了捕獲鉺原子，研究團(tuán)隊還開發(fā)了利用鉺的不同內(nèi)部狀態(tài)的成像方法。通過誘導(dǎo)不同波長的熒光，他們實現(xiàn)了兩種獨特的成像技術(shù)：一種是用于超快、種群分辨成像的藍(lán)色光譜--這在鑷子物理學(xué)中是一種新技術(shù);另一種是用于幾乎無損觀察的黃色光譜。

這樣，研究人員就可以在不干擾原子量子態(tài)的情況下密切監(jiān)測原子的行為，而且速度也足夠慢，可以對系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)探測。這些新的成像方法為這些量子系統(tǒng)的研究帶來了前所未有的多功能性，該研究的第一作者之一Daniel Schneider Grün說?！拔覀儸F(xiàn)在可以用以前不可能的方式觀察這些復(fù)雜的原子?！?/p>

用復(fù)雜原子挑戰(zhàn)量子極限

雖然鉺原子已經(jīng)在光學(xué)晶格中進(jìn)行過研究，但這項研究引入了一種使用光學(xué)鑷子的新方法。光鑷?yán)镁o密聚焦的激光束，聚焦光的大小相當(dāng)于人類紅血球大小的一小部分。Grün 解釋說：“與光學(xué)晶格不同，鑷子可以更自由地將原子排列成可定制的幾何形狀，并實現(xiàn)粒子的實時重新配置。”

該研究團(tuán)隊以其在操縱鉺和鏑等稀土元素方面的專業(yè)知識而聞名，曾取得過鉺的玻色-愛因斯坦凝聚等突破性成果。近年來，他們與經(jīng)驗豐富的理論家建立了合作網(wǎng)絡(luò)，對這些復(fù)雜原子的特性(包括在此裝置中起關(guān)鍵作用的里德伯態(tài))有了最前沿的深入了解。

開啟新的量子相互作用

研究人員的下一步工作包括通過里德伯激發(fā)誘導(dǎo)鉺原子之間的相互作用，這一過程利用了 14 個價電子中的一個，而其他電子則充當(dāng)量子探針或寄存器。

這種增強(qiáng)的復(fù)雜性為量子科學(xué)激動人心的新篇章鋪平了道路，在量子科學(xué)中，具有多電子構(gòu)型的復(fù)雜原子可以被精確地操縱、研究，并以變革性的方式加以利用。Ferlaino 說：“這是真正的未知領(lǐng)域。”

審核編輯 黃宇