Phương pháp mới xác định chính xác vị trí 3D của các nguyên tử lạnh trong mạng – Vật lý Thế giới

Phương pháp mới xác định chính xác vị trí 3D của các nguyên tử lạnh trong mạng – Vật lý Thế giới

Dấu thời gian: Ngày 10 tháng 2024 năm 4 00:XNUMX sáng


Hình ảnh dự đoán về mặt lý thuyết được tạo ra bởi kính hiển vi khí lượng tử, cho thấy một chuỗi các vật thể hình quả tạ
Hình ảnh của một nguyên tử được tạo ra bởi kính hiển vi khí lượng tử thường là một đốm tròn, hơi mờ. Trong hình ảnh được dự đoán theo lý thuyết này, nguyên tử bị biến dạng thành hình quả tạ và hướng mà quả tạ chỉ vào sẽ cho biết tọa độ z của nguyên tử. (Được phép: IAP/Đại học Bonn)

Một kỹ thuật hình ảnh mới lần đầu tiên mang đến cho các nhà khoa học vị trí 3D của từng nguyên tử trong mạng quang học, vượt qua các phương pháp trước đây chỉ cung cấp hình ảnh 2D. Được phát triển bởi một nhóm tại Đại học Bonn, Đức và Đại học Bristol, Vương quốc Anh, kỹ thuật này có thể cải thiện độ chính xác của các mô phỏng lượng tử dựa trên nguyên tử và hỗ trợ phát triển các vật liệu lượng tử mới.

“Bây giờ chúng tôi có thể chụp một bức ảnh chụp nhanh các nguyên tử trong mạng quang học và xem chính xác vị trí của chúng trong cả ba chiều,” giải thích Carrie Weidner và Andrea Alberti, người đồng lãnh đạo sự phát triển của kỹ thuật. “Các kỹ thuật phát hiện quang học trước đây chỉ giới hạn ở việc chụp ảnh ‘phẳng’ của các nguyên tử, nhưng nguyên tử không sống trong một thế giới phẳng.”

Các thí nghiệm về nguyên tử trong mạng quang học thường bắt đầu bằng cách sử dụng ánh sáng laser để làm lạnh các nguyên tử đến nhiệt độ ngay trên độ không tuyệt đối. Điều này làm chúng gần như dừng lại và khiến chúng bị mắc kẹt trong một làn sóng ánh sáng laser đứng – mạng tinh thể. Sau khi bị mắc kẹt, các nguyên tử được tiếp xúc với một chùm ánh sáng laser bổ sung khiến chúng phát huỳnh quang. Bằng cách chụp ảnh huỳnh quang này, các nhà nghiên cứu có thể xác định vị trí của các nguyên tử.

Quá trình chụp ảnh này được gọi là kính hiển vi khí lượng tử và nó được phát triển hơn một thập kỷ trước bởi các nhà vật lý tại Harvard University ở Mỹ và tại Viện Quang lượng tử Max Planck ở Đức. Tuy nhiên, phương pháp tiêu chuẩn chỉ cung cấp tọa độ x và y của mỗi nguyên tử. Thông tin về vị trí của các nguyên tử theo hướng z – tức là khoảng cách của chúng với vật kính trong hệ thống hình ảnh – còn thiếu.

thay đổi pha

Phương pháp mới khắc phục điều này bằng cách lấy ánh sáng phát ra từ các nguyên tử phát huỳnh quang và biến đổi nó trước khi nó tới máy ảnh. Cụ thể hơn, phương pháp này thay đổi pha của trường ánh sáng phát ra sao cho hình ảnh nguyên tử dường như quay trong không gian theo hàm số của vị trí của nó dọc theo đường ngắm của hệ thống hình ảnh.

Alberti giải thích: “Thay vì các đốm tròn điển hình thường được tạo ra trong kính hiển vi khí lượng tử, mặt sóng bị biến dạng tạo ra hình quả tạ trên máy ảnh và tự quay xung quanh nó”. “Hướng mà quả tạ này chỉ vào phụ thuộc vào khoảng cách mà ánh sáng phải truyền từ nguyên tử đến máy ảnh.”

Do đó, quả tạ hoạt động hơi giống chiếc kim trên la bàn, cho phép các nhà nghiên cứu đọc tọa độ z theo hướng của nó, cho biết thêm. Dieter Meschede, người đứng đầu phòng thí nghiệm Bonn nơi các thí nghiệm diễn ra.

Một ý tưởng có lịch sử lâu đời

Theo Weidner, ý tưởng ban đầu cho nghiên cứu này xuất phát từ William Moerner và Rafael Piestun tại các trường đại học của Stanford và Colorado, tương ứng. Alberti cho biết thêm rằng thật “thú vị” là trước đây chưa có ai nghĩ tới việc sử dụng pha của trường ánh sáng để thu được thông tin về vị trí z của hạt phát sáng. Ông nói, việc điều khiển pha của trường ánh sáng chắc chắn không phải là mới.

“Nó thực sự có một lịch sử lâu dài: trên thực tế, để thu được hình ảnh sắc nét (và không bị mờ), tất cả các hệ thống hình ảnh được thiết kế tốt đều được thiết kế để làm cho pha của tất cả các tia sáng tới bề mặt máy ảnh (hoặc võng mạc trong mắt chúng ta) trở nên đồng nhất. tương tự – đây là nguyên lý Fermat nổi tiếng,” ông giải thích. “Việc cân bằng tất cả các độ lệch pha này là điều giúp khắc phục quang sai. Đây thực chất là những gì chúng ta làm khi đeo kính mắt để cải thiện thị lực.”

Alberti cho biết thêm, một trong những thách thức lớn nhất với kỹ thuật này là tìm được một nhà thử nghiệm có năng lực, người có thể làm việc toàn thời gian để biến nó thành hiện thực. “Chúng tôi thật may mắn khi Tangi Legrand, một sinh viên thạc sĩ, đã quyết định thực hiện thử thách này,” anh nói. “Không có anh ấy, chúng tôi sẽ không báo cáo về kết quả thành công của mình ngày hôm nay.”

Vị trí chính xác chỉ bằng một hình ảnh

Khả năng xác định chính xác vị trí 3D của các nguyên tử chỉ bằng một hình ảnh có thể hữu ích trong một số bối cảnh. Nó có thể giúp kích hoạt các tương tác cụ thể giữa các nguyên tử dễ dàng hơn và có thể giúp các nhà khoa học phát triển các vật liệu lượng tử mới với các đặc tính đặc biệt. “Chúng ta có thể nghiên cứu các loại hiệu ứng cơ học lượng tử xảy ra khi các nguyên tử được sắp xếp theo một trật tự nhất định,” Weidner gợi ý. “Điều này sẽ cho phép chúng tôi mô phỏng các đặc tính của vật liệu ba chiều ở một mức độ nào đó mà không cần phải tổng hợp chúng”.

Một ưu điểm nữa là kỹ thuật này được trình bày chi tiết trong Đánh giá vật lý A, rất chung chung. “Phương pháp của chúng tôi có thể được áp dụng cho nhiều hệ thống, bao gồm cả phân tử, ion, thực ra là bất kỳ nguồn phát lượng tử nào,” Weidner nói. “Chúng tôi hy vọng sẽ thấy phương pháp này được áp dụng trong các nỗ lực mô phỏng lượng tử 3D trên toàn thế giới.”

Về lâu dài, các nhà nghiên cứu cho biết “giấc mơ” của họ là tái tạo lại vị trí 3D của các mảng lớn chứa vài nghìn nguyên tử. Họ giải thích: Những mảng lớn này yêu cầu trường nhìn rộng, gây ra quang sai quang học. Họ hy vọng rằng các phương pháp tái thiết được cải tiến sẽ có thể giải quyết được những quang sai này và do đó mở rộng phạm vi quan sát mà kỹ thuật của chúng tôi có thể được áp dụng,” họ nói. “Họ cũng có thể giúp tìm ra vị trí 3D của các nguyên tử nằm phía trên nhau trong các mạng dày đặc hơn.”

Dấu thời gian:

Thêm từ Thế giới vật lý