Nowa metoda wskazuje trójwymiarową lokalizację zimnych atomów w sieci – Physics World

Nowa technika obrazowania po raz pierwszy umożliwia naukowcom trójwymiarowe położenie poszczególnych atomów w sieci optycznej, przewyższając poprzednie metody, które dostarczają jedynie obrazy 3D. Technika ta, opracowana przez zespół z Uniwersytetu w Bonn w Niemczech i Uniwersytetu w Bristolu w Wielkiej Brytanii, może poprawić precyzję symulatorów kwantowych opartych na atomach i pomóc w opracowywaniu nowych materiałów kwantowych.

„Jesteśmy teraz w stanie wykonać pojedyncze zdjęcie atomów w sieci optycznej i dokładnie zobaczyć, gdzie się znajdują we wszystkich trzech wymiarach” – wyjaśnia Carrie Weidner i Andrzeja Albertiego, który współkierował rozwojem tej techniki. „Poprzednie techniki detekcji optycznej ograniczały się do robienia „płaskich” zdjęć atomów, ale atomy nie żyją w płaskim świecie”.

Eksperymenty na atomach w sieciach optycznych zazwyczaj rozpoczynają się od wykorzystania światła laserowego do ochłodzenia atomów do temperatur nieco wyższych od zera absolutnego. To spowalnia je niemal do zatrzymania i pozwala na uwięzienie ich w stojącej fali światła laserowego – siatce. Po uwięzieniu atomy są wystawione na działanie dodatkowej wiązki światła laserowego, która powoduje ich fluorescencję. Obrazując tę ​​fluorescencję, badacze mogą określić położenie atomów.

Ten proces obrazowania, znany jako kwantowa mikroskopia gazowa, został opracowany ponad dziesięć lat temu przez fizyków z Instytutu Harvard University w USA i na Instytut Optyki Kwantowej im. Maxa Plancka w Niemczech. Metoda standardowa podaje jednak tylko współrzędne x i y każdego atomu. Brakowało informacji o położeniu atomów w kierunku z, czyli o ich odległości od obiektywu w systemie obrazowania.

Zmiana fazy

Nowa metoda zaradzi temu problemowi, analizując światło emitowane przez fluoryzujące atomy i modyfikując je, zanim dotrze do kamery. Mówiąc dokładniej, metoda zmienia fazę emitowanego pola świetlnego w taki sposób, że obraz atomu wydaje się obracać w przestrzeni w zależności od jego położenia wzdłuż linii wzroku systemu obrazowania.

„Zamiast typowych okrągłych plamek, które zwykle powstają w mikroskopii gazów kwantowych, zdeformowane czoło fali tworzy na aparacie kształt hantli, który obraca się wokół siebie” – wyjaśnia Alberti. „Kierunek, w którym skierowany jest ten hantle, zależy od odległości, jaką światło musiało pokonać od atomu do kamery”.

W ten sposób hantle działają trochę jak igła kompasu, umożliwiając badaczom odczytanie współrzędnej z zgodnie z jej orientacją, dodaje Dieter Meschede, który kieruje laboratorium w Bonn gdzie odbywały się eksperymenty.

Pomysł z długą historią

Zdaniem Weidnera, oryginalny pomysł na badanie wziął się stąd Williama Moernera i Rafał Piestun na uczelniach im Stanford i Koloradoodpowiednio. Alberti dodaje, że „fascynujący” jest fakt, że nikt wcześniej nie pomyślał o wykorzystaniu fazy pola świetlnego do uzyskania informacji o położeniu Z cząstki emitującej światło. Sterowanie fazą pola świetlnego z pewnością nie jest niczym nowym – mówi.

„Ma to właściwie długą historię: tak naprawdę, aby uzyskać ostre (i nie rozmazane) obrazy, wszystkie dobrze zaprojektowane systemy obrazowania są tak skonstruowane, aby faza wszystkich promieni świetlnych docierających do powierzchni aparatu (lub siatkówki w naszych oczach) była tak samo – to słynna zasada Fermata” – wyjaśnia. „Wyrównanie wszystkich różnic fazowych koryguje aberracje optyczne. Zasadniczo właśnie to robimy, nosząc okulary, aby poprawić wzrok”.

Alberti dodaje, że jednym z największych wyzwań związanych z tą techniką było znalezienie zdolnego eksperymentatora, który mógłby pracować na pełny etat, aby doprowadzić ją do skutku. „Mieliśmy szczęście, że Tangi Legrand, studentka studiów magisterskich, zdecydowała się podjąć to wyzwanie” – mówi. „Bez niego nie informowalibyśmy dzisiaj o naszych pomyślnych wynikach”.

Precyzyjne lokalizacje na jednym obrazie

Możliwość precyzyjnego określenia pozycji atomów w 3D na podstawie pojedynczego obrazu może być użyteczna w kilku kontekstach. Może ułatwić wywoływanie określonych interakcji między atomami i może pomóc naukowcom w opracowaniu nowych materiałów kwantowych o specjalnych właściwościach. „Moglibyśmy zbadać rodzaje efektów mechaniki kwantowej, które występują, gdy atomy są ułożone w określonej kolejności” – sugeruje Weidner. „Pozwoliłoby nam to w pewnym stopniu symulować właściwości materiałów trójwymiarowych bez konieczności ich syntezy”.

Kolejną zaletą jest to, że technika opisana szczegółowo w Przegląd fizyczny A, jest bardzo ogólne. „Naszą metodę można zastosować do wielu układów, w tym cząsteczek, jonów, a tak naprawdę każdego emitera kwantowego” – mówi Weidner. „Mamy nadzieję, że ta metoda zostanie zastosowana w symulacjach kwantowych 3D na całym świecie”.

Naukowcy twierdzą, że w dłuższej perspektywie ich „marzeniem” jest rekonstrukcja pozycji 3D dużych układów zawierających kilka tysięcy atomów. Wyjaśniają, że te duże matryce wymagają dużego pola widzenia, co pociąga za sobą aberracje optyczne. „Mamy nadzieję, że ulepszone metody rekonstrukcji będą w stanie uporać się z tymi aberracjami, a tym samym poszerzyć pole widzenia, w którym będzie można zastosować naszą technikę” – mówią. „Mogą także pomóc w znalezieniu trójwymiarowych pozycji atomów znajdujących się nad sobą w gęściej wypełnionych sieciach”.

• Dystrybucja treści i PR oparta na SEO. Uzyskaj wzmocnienie już dziś.
• PlatoData.Network Pionowe generatywne AI. Wzmocnij się. Dostęp tutaj.
• PlatoAiStream. Inteligencja Web3. Wiedza wzmocniona. Dostęp tutaj.
• PlatonESG. Węgiel Czysta technologia, Energia, Środowisko, Słoneczny, Gospodarowanie odpadami. Dostęp tutaj.
• Platon Zdrowie. Inteligencja w zakresie biotechnologii i badań klinicznych. Dostęp tutaj.
• Źródło: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/