Новий метод визначає тривимірне розташування холодних атомів у решітці – Physics World

Нова техніка візуалізації вперше дає вченим тривимірне положення окремих атомів в оптичній решітці, перевершуючи попередні методи, які надають лише двовимірні зображення. Розроблена командою в Університеті Бонна, Німеччина та Університеті Брістоля, Великобританія, ця методика може підвищити точність квантових симуляторів на основі атомів і допомогти в розробці нових квантових матеріалів.

«Тепер ми можемо зробити єдиний знімок атомів в оптичній решітці й точно побачити, де вони знаходяться в усіх трьох вимірах», — пояснюють. Керрі Вайднер та Андреа Альберті, який очолював розробку техніки. «Попередні методи оптичного виявлення обмежувалися отриманням «плоских» зображень атомів, але атоми не живуть у плоскому світі».

Експерименти на атомах в оптичних решітках зазвичай починаються з використанням лазерного світла для охолодження атомів до температур трохи вище абсолютного нуля. Це сповільнює їх майже до зупинки та дозволяє їм потрапити в пастку стоячої хвилі лазерного світла – решітки. Потрапивши в пастку, атоми піддаються впливу додаткового променя лазерного світла, який змушує їх флуоресцувати. Зображуючи цю флуоресценцію, дослідники можуть визначити положення атомів.

Цей процес отримання зображень відомий як квантова газова мікроскопія, і він був розроблений більше десяти років тому фізиками з Гарвардський університет в США і на Інститут квантової оптики Макса Планка в Німеччині. Однак стандартний метод надає лише координати x і y кожного атома. Відсутня інформація про положення атомів у напрямку z, тобто їх відстань від об’єктива в системі зображення.

Зміна фази

Новий метод виправляє це, беручи світло, що випромінюється флуоресціюючими атомами, і змінює його, перш ніж воно досягне камери. Зокрема, метод змінює фазу випромінюваного світлового поля таким чином, що зображення атома обертається в просторі залежно від його положення вздовж лінії зору системи зображення.

«Замість типових круглих цяток, які зазвичай утворюються в квантово-газовій мікроскопії, деформований хвильовий фронт створює на камері форму гантелі, яка обертається навколо себе», — пояснює Альберті. «Напрямок, у якому вказує ця гантель, залежить від відстані, яку пройшло світло від атома до камери».

Таким чином, гантель діє як стрілка компаса, дозволяючи дослідникам зчитувати координату z відповідно до її орієнтації, додає Дітер Мешеде, який очолює Боннську лабораторію де проходили досліди.

Ідея з довгою історією

За словами Вайднера, початкова ідея дослідження виникла з Вільям Моернер та Рафаель Піестун в університетах ім Стенфордський та Колорадо, відповідно. Альберті додає, що «захоплююче», що ніхто раніше не думав використовувати фазу світлового поля для отримання інформації про z-положення світловипромінюючої частинки. Контроль фази світлового поля, звичайно, не новий, каже він.

«Насправді це має довгу історію: насправді, щоб отримати чіткі (а не розмиті) зображення, усі добре розроблені системи зображення побудовані так, щоб зробити фазу всіх променів світла, що досягають поверхні камери (або сітківки в наших очах), відповідною. те саме – це знаменитий принцип Ферма», – пояснює він. «Вирівнювання всіх цих різниць фаз – це те, що виправляє оптичні аберації. По суті, це те, що ми робимо, коли носимо окуляри, щоб покращити наш зір».

Альберті додає, що однією з найбільших проблем із цією технікою було знайти здібного експериментатора, який міг би працювати повний робочий день, щоб втілити її в життя. «Нам пощастило, що Тангі Легран, студент магістратури, вирішив прийняти цей виклик», — каже він. «Без нього ми б не звітували про наші успішні результати сьогодні».

Точні місця з одним зображенням

Можливість точного визначення тривимірного положення атомів за допомогою одного зображення може бути корисною в кількох контекстах. Це може спростити ініціювання специфічних взаємодій між атомами, і це може допомогти вченим розробити нові квантові матеріали з особливими характеристиками. «Ми могли б досліджувати типи квантово-механічних ефектів, які виникають, коли атоми розташовані в певному порядку», — пропонує Вайднер. «Це дозволить нам певною мірою моделювати властивості тривимірних матеріалів без необхідності їх синтезувати».

Ще одна перевага полягає в тому, що техніка, детально описана в Фізичний огляд А, є дуже загальним. «Наш метод можна застосувати до багатьох систем, включаючи молекули, іони, насправді, будь-який квантовий випромінювач», — каже Вайднер. «Ми сподіваємося, що цей метод буде застосований у 3D квантовому моделюванні по всьому світу».

У довгостроковій перспективі дослідники кажуть, що їхня «мрія» полягає в тому, щоб реконструювати тривимірні положення великих масивів, що містять кілька тисяч атомів. Ці великі масиви вимагають великого поля зору, що тягне за собою оптичні аберації, пояснюють вони. «Ми сподіваємося, що вдосконалені методи реконструкції зможуть впоратися з цими абераціями і, отже, розширять поле зору, до якого можна застосувати нашу техніку», — кажуть вони. «Вони також можуть допомогти знайти тривимірні положення атомів, розташованих один над одним у більш щільно заповнених решітках».

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• PlatoHealth. Розвідка про біотехнології та клінічні випробування. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/