격자 내 차가운 원자의 3D 위치를 정확히 찾아내는 새로운 방법 – Physics World

새로운 이미징 기술은 과학자들에게 처음으로 광학 격자 내 개별 원자의 3D 위치를 제공하여 2D 이미지만 제공하는 이전 방법을 능가합니다. 독일 본 대학교(University of Bonn)와 영국 브리스톨 대학교(University of Bristol) 팀이 개발한 이 기술은 원자 기반 양자 시뮬레이터의 정밀도를 향상시키고 새로운 양자 재료 개발을 지원할 수 있습니다.

"이제 우리는 광학 격자에 있는 원자의 단일 스냅샷을 촬영하고 3차원 모두에서 원자의 위치를 ​​정확히 확인할 수 있습니다."라고 설명합니다. 캐리 위드너 및 안드레아 알베르티, 기술 개발을 공동 주도했습니다. "이전의 광학적 탐지 기술은 원자의 '평면' 사진을 찍는 것으로 제한되었지만 원자는 평평한 세계에 살지 않습니다."

광학 격자의 원자에 대한 실험은 일반적으로 레이저 광을 사용하여 원자를 절대 영도 바로 위의 온도로 냉각시키는 것으로 시작됩니다. 이로 인해 속도가 거의 정지되고 레이저 광의 정재파인 격자에 갇히게 됩니다. 일단 갇힌 원자는 형광을 발하게 만드는 추가 레이저 광선에 노출됩니다. 이 형광을 이미지화함으로써 연구자들은 원자의 위치를 ​​결정할 수 있습니다.

이 이미징 프로세스는 양자 가스 현미경으로 알려져 있으며 10여년 전에 물리학자들에 의해 개발되었습니다. 하버드 대학교 미국과 그 곳에서 막스 플랑크 양자 광학 연구소 독일에서. 그러나 표준 방법은 각 원자의 x 및 y 좌표만 제공합니다. z 방향의 원자 위치, 즉 이미징 시스템 내 대물렌즈로부터의 거리에 대한 정보가 부족했습니다.

위상 변화

새로운 방법은 형광 원자에서 방출된 빛을 가져와 카메라에 도달하기 전에 수정함으로써 이 문제를 해결합니다. 보다 구체적으로, 방법은 방출된 광장의 위상을 변경하여 원자 이미지가 이미징 시스템의 시선을 따른 위치의 함수로서 공간에서 회전하는 것처럼 보이게 합니다.

Alberti는 “양자 가스 현미경에서 일반적으로 생성되는 일반적인 둥근 얼룩 대신 변형된 파면이 카메라에 자체 회전하는 아령 모양을 생성합니다.”라고 설명합니다. "이 아령이 가리키는 방향은 빛이 원자에서 카메라까지 이동해야 하는 거리에 따라 달라집니다."

따라서 덤벨은 나침반의 바늘처럼 작동하여 연구자들이 방향에 따라 z 좌표를 읽을 수 있도록 합니다. 본 연구소를 이끄는 디터 메시데(Dieter Meschede) 실험이 진행된 곳.

오랜 역사를 지닌 아이디어

Weidner에 따르면, 이 연구의 원래 아이디어는 다음에서 나왔습니다. 윌리엄 모어너 및 라파엘 피에스툰 대학에서 스탠포드 및 콜로라도, 각각. Alberti는 발광 입자의 z 위치에 대한 정보를 얻기 위해 빛 필드의 위상을 사용하는 것을 이전에 누구도 생각하지 못했다는 것이 "매혹적"이라고 덧붙였습니다. 라이트 필드의 위상을 제어하는 ​​것은 확실히 새로운 것이 아니라고 그는 말합니다.

“사실 오랜 역사를 가지고 있습니다. 사실 선명한(흐릿하지 않은) 이미지를 얻기 위해 모든 잘 설계된 이미징 시스템은 카메라 표면(또는 우리 눈의 망막)에 도달하는 모든 광선의 위상을 마찬가지입니다. 이것이 유명한 페르마의 원리입니다.”라고 그는 설명합니다. “이러한 모든 위상차를 균등화하는 것이 광학 수차를 교정하는 것입니다. 이것이 본질적으로 시력을 향상시키기 위해 안경을 착용할 때 하는 일입니다.”

Alberti는 이 기술의 가장 큰 과제 중 하나는 이 기술을 실현하기 위해 풀타임으로 일할 수 있는 유능한 실험자를 찾는 것이라고 덧붙였습니다. “석사과정 학생인 Tangi Legrand가 이 도전에 참여하기로 결정한 것은 행운이었습니다.”라고 그는 말합니다. “그가 없었다면 우리는 오늘 성공적인 결과를 보고할 수 없었을 것입니다.”

단일 이미지로 정확한 위치 확인

단일 이미지로 원자의 3D 위치를 정확하게 결정할 수 있다는 것은 여러 상황에서 유용할 수 있습니다. 이는 원자 간의 특정 상호작용을 더 쉽게 촉발할 수 있으며, 과학자들이 특별한 특성을 가진 새로운 양자 물질을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다. “우리는 원자가 특정 순서로 배열될 때 발생하는 양자 역학적 효과의 유형을 조사할 수 있습니다.”라고 Weidner는 제안합니다. "이를 통해 우리는 XNUMX차원 물질을 합성하지 않고도 어느 정도 XNUMX차원 물질의 특성을 시뮬레이션할 수 있습니다."

또 다른 장점은 다음에 자세히 설명된 기술이 있다는 것입니다. 물리적 검토 A, 매우 일반적입니다. Weidner는 “우리의 방법은 분자, 이온, 실제로 모든 양자 방사체를 포함한 많은 시스템에 적용될 수 있습니다. "우리는 이 방법이 전 세계의 3D 양자 시뮬레이션 노력에 적용되기를 희망합니다."

장기적으로 연구원들은 수천 개의 원자를 포함하는 대규모 배열의 3D 위치를 재구성하는 것이 그들의 "꿈"이라고 말합니다. 이러한 대형 어레이에는 광학 수차를 수반하는 넓은 시야가 필요하다고 그들은 설명합니다. “우리는 개선된 재구성 방법이 이러한 수차를 처리할 수 있기를 희망하며 따라서 우리 기술을 적용할 수 있는 시야를 확장할 수 있을 것입니다.”라고 그들은 말합니다. "그들은 또한 더 조밀하게 채워진 격자에서 서로 위에 위치한 원자의 3D 위치를 찾는 데 도움이 될 수 있습니다."

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• 출처: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/