物理学家开发新技术以“看见”量子世界

利用JILA的新成像技术制作的艺术品，该技术可以快速精确地测量原子钟中的量子行为。图像是在基态（蓝色）或激发态（红色）中检测到的原子的假彩色表示。白色区域表示两种状态下原子的精细混合，这会在图像中产生量子“噪声”。发生这种情况的原因是，所有原子最初都是以量子的叠加状态准备的，或者同时处于基态和激发态，并且成像测量提示崩溃为两个状态之一。成像技术将有助于提高时钟精度，为诸如磁性和超导电性等现象的研究添加新的原子级细节，并且在将来也许使科学家“看到”新的物理学。

JILA的科学家发明了一种新的成像技术，可以以近乎即时的视觉艺术形式对原子钟中的量子行为进行快速，精确的测量。该技术结合了光谱学和高分辨率显微镜，光谱学从光和物质之间的相互作用中提取信息。

如《物理评论快报》所述（链接是外部的），JILA方法制作了三维锶晶格原子钟中原子之间能量转移的空间图，从而提供了有关每个原子的位置和能级或量子态的信息。

该技术可以快速测量对原子钟很重要的物理效应，从而提高时钟的精度，并且可以为研究磁性和超导电性等现象添加新的原子级细节。将来，该方法可能使科学家最终看到新的物理学，例如量子物理学与引力之间的联系。

JILA由美国国家标准技术研究院（NIST）和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

“这项技术使我们能够用激光和原子写出一段美丽的'音乐'，然后将其映射到一个结构中并像石头一样将其冻结，这样我们就可以看着听着激光的不同音调的单个原子，阅读直接作为图像显示出来，” JILA / NIST研究员Jun Ye说。

原子处于所谓的量子简并气体中，其中大量原子相互作用。这种“量子多体”现象正在将测量精度扩展到新的极限。

为了准备原子以进行美丽拍摄，研究人员使用激光脉冲将约10,000个锶原子从低能基态驱动到高能激发态。然后，位于晶格下方的蓝色激光通过原子垂直向上照射，并且照相机拍摄了原子投射的阴影的照片，这是原子吸收多少光的函数。基态原子吸收更多的光。

生成的图像是基态（蓝色）和激发态（红色）的原子的伪彩色表示。白色区域代表原子中大约50％的红色和50％的蓝色的精细混合物，产生斑驳效果。发生这种情况的原因是，这些原子最初是在叠加的量子状态下准备的，或者同时处于基态和激发态，并且成像测量会提示坍塌成两种状态之一，从而在图像中产生“噪声”。

作为演示，JILA团队创建了一系列图像，以绘制跨晶格不同区域的小频移或处于激发态的原子分数。进行同时比较的能力提高了一组原子的测量精度和速度。研究人员报告称，在6小时内测量2.5 x 10-19的频率（误差仅为十亿分之0.25）时，达到了创纪录的精度。成像光谱学有望大大提高JILA原子钟和其他原子钟的精度。

成像光谱学提供有关原子局部环境的信息，类似于扫描隧道显微镜提供的令人难以置信的分辨率。到目前为止，该方法已用于生成二维图像，但它可以像在层析成像中一样基于逐层测量来制作3D图像，层析成像结合了多个固体物体的横截面，Ye说。

原子晶格是一种人造晶体，也可以用作磁性或重力传感器，以测试不同物理领域之间的相互作用。对于将来使用时钟中的原子作为重力传感器，看看在很小的空间尺度上运行的量子力学如何与广义相对论，引力理论和宏观力相互作用，叶先生感到非常兴奋。

“随着未来20年时钟的改善，这种小晶体不仅可以勾画出引力如何影响频率，而且我们还可以开始看到引力和量子力学之间的相互作用，” Ye说。“这是从未有过的实验探针能够测量到的物理效应。这种成像技术可能会成为非常重要的工具。”

该研究得到了NIST，国防高级研究计划局，空军科学研究所和国家科学基金会的支持。

出版物：G.E.马蒂（RB）Hutson，A.Goban，S.L.Campbell，N.Poli和J.Ye.，“以100 Hz精度和1.1 m分辨率成像光μ学频率”，《物理μ评论快报》，2018年； DOI：10.1103 / PhysRevLett.120.103201