O nouă metodă identifică locația 3D a atomilor reci într-o rețea – Physics World

O nouă tehnică de imagistică oferă oamenilor de știință poziția 3D a atomilor individuali într-o rețea optică pentru prima dată, depășind metodele anterioare care oferă doar imagini 2D. Dezvoltată de o echipă de la Universitatea din Bonn, Germania și Universitatea din Bristol, Marea Britanie, tehnica ar putea îmbunătăți precizia simulatoarelor cuantice bazate pe atom și ar putea ajuta la dezvoltarea de noi materiale cuantice.

„Acum suntem capabili să facem un singur instantaneu al atomilor dintr-o rețea optică și să vedem exact unde sunt aceștia în toate cele trei dimensiuni”, explică. Carrie Weidner și Andrea Alberti, care a co-condus dezvoltarea tehnicii. „Tehnicile anterioare de detectare optică se limitau la realizarea de imagini „plate” ale atomilor, dar atomii nu trăiesc într-o lume plată.”

Experimentele pe atomii din rețelele optice încep de obicei prin utilizarea luminii laser pentru a răci atomii la temperaturi chiar peste zero absolut. Acest lucru îi încetinește aproape până la oprire și le permite să rămână prinși într-un val staționar de lumină laser - rețeaua. Odată prinși, atomii sunt expuși unui fascicul suplimentar de lumină laser care îi face să evidențieze fluorescență. Prin imagistica acestei fluorescențe, cercetătorii pot determina poziția atomilor.

Acest proces de imagistică este cunoscut sub numele de microscopie cuantică a gazelor și a fost dezvoltat cu mai bine de un deceniu în urmă de către fizicienii de la Universitatea Harvard în SUA și la Institutul Max Planck de Optică Cuantică în Germania. Metoda standard, totuși, furnizează doar coordonatele x și y ale fiecărui atom. Informațiile despre poziția atomilor în direcția z – adică distanța lor față de obiectiv în cadrul sistemului de imagistică – lipseau.

Schimbare de fază

Noua metodă remediază acest lucru luând lumina emisă de atomii fluorescenți și modificând-o înainte de a ajunge la o cameră. Mai precis, metoda schimbă faza câmpului luminos emis astfel încât imaginea atomului pare să se rotească în spațiu în funcție de poziția sa de-a lungul liniei vizuale a sistemului de imagistică.

„În locul petelor rotunde tipice produse de obicei în microscopia cu gaz cuantică, frontul de undă deformat produce o formă de gantere pe cameră care se rotește în jurul său”, explică Alberti. „Direcția în care arată această ganteră depinde de distanța pe care lumina a trebuit să o parcurgă de la atom la cameră.”

Gantera acționează astfel un pic ca acul de pe o busolă, permițând cercetătorilor să citească coordonatele z în funcție de orientarea acesteia, adaugă. Dieter Meschede, care conduce laboratorul din Bonn unde au avut loc experimentele.

O idee cu o istorie lungă

Potrivit lui Weidner, ideea originală a studiului a venit William Moerner și Rafael Pietun la universitățile din Stanford și Colorado, respectiv. Alberti adaugă că este „fascinant” faptul că nimeni altcineva nu s-a gândit anterior să folosească faza câmpului luminos pentru a obține informații despre poziția z a particulei emițătoare de lumină. Controlul fazei câmpului luminos nu este cu siguranță nou, spune el.

„De fapt, are o istorie lungă: de fapt, pentru a obține imagini clare (și nu neclare), toate sistemele de imagistică bine concepute sunt construite pentru a face faza tuturor razelor de lumină care ajung la suprafața camerei (sau retina din ochii noștri) același – acesta este faimosul principiu al lui Fermat”, explică el. „Egalizarea tuturor acestor diferențe de fază este ceea ce corectează aberațiile optice. Acest lucru este în esență ceea ce facem atunci când purtăm ochelari de vedere pentru a ne îmbunătăți vederea.”

Una dintre cele mai mari provocări ale tehnicii, adaugă Alberti, a fost găsirea unui experimentator capabil, care să lucreze cu normă întreagă pentru a o duce la bun sfârșit. „Am fost norocoși că Tangi Legrand, student la master, a decis să accepte această provocare”, spune el. „Fără el, nu am fi raportat astăzi despre rezultatele noastre de succes.”

Locații precise cu o singură imagine

A fi capabil să determine cu precizie pozițiile 3D ale atomilor cu o singură imagine ar putea fi util în mai multe contexte. Ar putea facilita declanșarea interacțiunilor specifice între atomi și ar putea ajuta oamenii de știință să dezvolte noi materiale cuantice cu caracteristici speciale. „Am putea investiga tipurile de efecte mecanice cuantice care apar atunci când atomii sunt aranjați într-o anumită ordine”, sugerează Weidner. „Acest lucru ne-ar permite să simulăm proprietățile materialelor tridimensionale într-o oarecare măsură fără a fi nevoie să le sintetizăm.”

Un alt avantaj este că tehnica, care este detaliată în Revizuirea fizică A, este foarte general. „Metoda noastră poate fi aplicată la multe sisteme, inclusiv molecule, ioni, de fapt, orice emițător cuantic”, spune Weidner. „Sperăm să vedem această metodă aplicată în eforturile de simulare cuantică 3D din întreaga lume.”

Pe termen lung, cercetătorii spun că „visul” lor este de a reconstrui pozițiile 3D ale matricelor mari care conțin câteva mii de atomi. Aceste matrice mari necesită un câmp vizual mare, ceea ce implică aberații optice, explică ei. „Sperăm că metodele îmbunătățite de reconstrucție vor fi capabile să facă față acestor aberații și, prin urmare, să extindă câmpul vizual asupra căruia tehnica noastră poate fi aplicată”, spun ei. „De asemenea, ar putea ajuta la găsirea pozițiilor 3D ale atomilor situati unul deasupra celuilalt în rețele mai dens pline.”

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Împuterniciți-vă. Accesați Aici.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Mediu inconjurator, Solar, Managementul deșeurilor. Accesați Aici.
• PlatoHealth. Biotehnologie și Inteligență pentru studii clinice. Accesați Aici.
• Sursa: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/