Новый метод определяет трехмерное расположение холодных атомов в решетке

Новый метод визуализации впервые дает ученым трехмерное положение отдельных атомов внутри оптической решетки, превосходя предыдущие методы, которые обеспечивают только двумерные изображения. Этот метод, разработанный командой из Боннского университета (Германия) и Бристольского университета (Великобритания), может повысить точность атомных квантовых симуляторов и помочь в разработке новых квантовых материалов.

«Теперь мы можем сделать один снимок атомов в оптической решетке и точно увидеть, где они находятся во всех трех измерениях», — объясняют. Кэрри Вайднер и Андреа Альберти, который был одним из руководителей разработки метода. «Предыдущие методы оптического обнаружения ограничивались получением «плоских» изображений атомов, но атомы не живут в плоском мире».

Эксперименты с атомами в оптических решетках обычно начинаются с использования лазерного света для охлаждения атомов до температур чуть выше абсолютного нуля. Это замедляет их почти до полной остановки и позволяет им попасть в ловушку стоячей волны лазерного света – решетки. Попав в ловушку, атомы подвергаются воздействию дополнительного луча лазерного света, который заставляет их флуоресцировать. Изображая эту флуоресценцию, исследователи могут определить положение атомов.

Этот процесс визуализации известен как квантовая газовая микроскопия, и он был разработан более десяти лет назад физиками из Гарвардский университет в США и в Институт квантовой оптики Макса Планка в Германии. Однако стандартный метод предоставляет только координаты x и y каждого атома. Информация о положении атомов в направлении z, то есть об их расстоянии от объектива в системе визуализации, отсутствовала.

Изменение фазы

Новый метод решает эту проблему, беря свет, излучаемый флуоресцирующими атомами, и модифицируя его до того, как он достигнет камеры. Более конкретно, метод изменяет фазу излучаемого светового поля так, что изображение атома кажется вращающимся в пространстве в зависимости от его положения на луче зрения системы визуализации.

«Вместо типичных круглых пятен, которые обычно возникают в квантовой газовой микроскопии, деформированный волновой фронт создает на камере форму гантели, которая вращается вокруг себя», — объясняет Альберти. «Направление, в котором указывает эта гантель, зависит от расстояния, которое свет должен был пройти от атома до камеры».

Таким образом, гантель действует как стрелка компаса, позволяя исследователям считывать координату Z в соответствии с ее ориентацией, добавляет он. Дитер Мешеде, руководитель Боннской лаборатории где проводились эксперименты.

Идея с долгой историей

По словам Вайднера, первоначальная идея исследования возникла у Уильям Мёрнер и Рафаэль Пьестун в университетах г. Стэнфордский и Колорадо, соответственно. Альберти добавляет, что «удивительно», что никто раньше не додумался использовать фазу светового поля для получения информации о z-положении светоизлучающей частицы. По его словам, управление фазой светового поля, конечно, не нова.

«На самом деле это имеет долгую историю: фактически, чтобы получить четкие (а не размытые) изображения, все хорошо спроектированные системы обработки изображений сконструированы так, чтобы фаза всех световых лучей, достигающих поверхности камеры (или сетчатки в наших глазах), была то же самое – это знаменитый принцип Ферма», – объясняет он. «Выравнивание всех этих разностей фаз — это то, что исправляет оптические аберрации. По сути, это то, что мы делаем, когда носим очки, чтобы улучшить свое зрение».

Альберти добавляет, что одной из самых больших проблем с этой техникой был поиск способного экспериментатора, который мог бы работать полный рабочий день, чтобы воплотить ее в жизнь. «Нам повезло, что Танги Легран, студентка магистратуры, решила взяться за этот вызов», — говорит он. «Без него мы бы не отчитались сегодня о наших успешных результатах».

Точные местоположения с помощью одного изображения

Возможность точно определять трехмерное положение атомов по одному изображению может быть полезна в нескольких контекстах. Это может облегчить запуск определенных взаимодействий между атомами и помочь ученым разработать новые квантовые материалы с особыми характеристиками. «Мы могли бы исследовать типы квантово-механических эффектов, которые возникают, когда атомы расположены в определенном порядке», — предполагает Вейднер. «Это позволит нам в некоторой степени моделировать свойства трехмерных материалов без необходимости их синтеза».

Еще одним преимуществом является то, что метод, подробно описанный в Физический обзор А, носит очень общий характер. «Наш метод можно применить ко многим системам, включая молекулы, ионы, да вообще любой квантовый эмиттер», — говорит Вайднер. «Мы надеемся увидеть применение этого метода в 3D-квантовом моделировании по всему миру».

В долгосрочной перспективе, по словам исследователей, их «мечтой» является реконструкция трехмерных положений больших массивов, содержащих несколько тысяч атомов. Эти большие массивы требуют большого поля зрения, что влечет за собой оптические аберрации, объясняют они. «Мы надеемся, что улучшенные методы реконструкции смогут справиться с этими аберрациями и, следовательно, расширить поле зрения, в котором может быть применена наша техника», — говорят они. «Они также могут помочь найти трехмерные положения атомов, расположенных друг над другом в более плотно заполненных решетках».

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• PlatoData.Network Вертикальный генеративный ИИ. Расширьте возможности себя. Доступ здесь.
• ПлатонАйСтрим. Интеллект Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• ПлатонЭСГ. Углерод, чистые технологии, Энергия, Окружающая среда, Солнечная, Управление отходами. Доступ здесь.
• ПлатонЗдоровье. Биотехнологии и клинические исследования. Доступ здесь.
• Источник: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/