放大原子图像

为深入理解量子物质，研究人员需在微观层面进行探测。超冷原子，即冷却至接近绝对零度的原子集合，为探索集体量子现象提供了极为纯净且可控的平台。在过去二十年里，研究人员一直寻求进行原位 “快照”，使每个原子在位置上，必要时在自旋上都能被单独分辨。近期进展已将这一设想变为现实，并显著加快了我们对集体量子行为的理解。然而，一个重要挑战依然存在：在许多情况下，粒子间的典型间距小于传统光学成像的分辨率极限。如今，德国海德堡大学的塞利姆·约希姆及其团队引入了一种方法，通过在成像前使系统 “自我放大” 来克服这一障碍 。该方法对于将超冷原子用作复杂量子现象（从超固态到拓扑相关态）的模拟器而言，可能是一大助力。

分辨量子气体中的每个原子，并非指在真正的原子尺度（通常为几埃，这即便并非不可能，也是极具挑战性的任务）上进行成像，而是在小于典型粒子间距的尺度上成像。在许多超冷原子系统中，这种间距约为0.5 – 1微米，这一范围很理想，原因有二。其一，探测此类尺度所需的分辨率，可通过可见光或近红外光实现，这也是日常相机和生物显微镜所使用的波长范围。其二，量子模拟器中的原子在该范围内存在光学跃迁，意味着激光可改变其状态并使其荧光（或发光）。粒子间距与原子跃迁波长及光学分辨率的匹配并非偶然，而是源于实现对这些系统微观观测的精心策略。

研究原子多体系统的一项重大突破，是光学晶格中量子气体显微镜的出现 。光学晶格是周期性的 “蛋盒” 状光结构，可将原子捕获在明确的位置，模拟晶体中的电子。最近，类似技术已应用于连续体中的原子（见观点：瞥见均匀气体的量子行为），在这种情况下，粒子可自由移动，而非在晶格位置间跳跃。然而，原子间距与光学分辨率的这种理想匹配并非总能实现。成像限制可能会降低分辨率。例如，仪器的几何限制可能妨碍使用最佳光学系统，或者系统本身可能过于密集，原子间距远小于一微米。

在此背景下，约希姆及其同事取得了显著进展：一种能促使系统在成像前自我放大50倍以上的技术，从而克服了成像系统的光学分辨率限制和高密度挑战。这使他们能够拍摄放大后系统的单原子分辨图像。

该团队使用了被限制在一个平面内的超冷锂 – 6原子。在该平面内，原子被束缚在一个谐波势阱中，即一个完美的抛物线形势阱。为便于理解，我们暂时跳出量子世界，进入经典世界，并仅考虑单个空间维度的运动。在这个经典类比中，处于谐波势阱中的粒子在两个转折点之间进行完美规则、无阻尼的振荡，就像一个无摩擦的秋千来回摆动。

为使系统 “自我放大”，研究人员使用了精确计时的一系列实验步骤。首先，他们采用超冷原子实验中常用的技术，突然 “关闭” 粒子间的任何相互作用，以便原子在后续步骤中不会相互干扰。然后，他们让原子在相对紧密的势阱中自由演化四分之一振荡周期，这在秋千类比中，相当于从最高点荡到最低点。此时，他们将原子转移到一个浅得多的谐波势阱中，就好像秋千的链条突然变长，然后让原子再演化一段可控时间。在理想的谐波系统中，这一序列会产生粒子分布，粒子位置相对于势阱中心有精确的缩放（图1）。放大倍数由两个势阱的振荡周期和最终演化时间决定。在这一序列结束时，可以拍摄放大后空间分布的图像，使用已有的光学技术分辨每个原子，同时也能确定其自旋。

现在回到量子领域，一个重要区别出现了：在量子力学中，粒子不会从明确的初始位置追踪明确的轨迹。相反，实验序列会放大整个波函数。最终图像则代表缩放后量子态的一个实现。可以证明，这个实现具有与经典模型预测相同的缩放因子。

虽然在经典和量子情况下，其背后的数学原理都很直接，但在实验室中实施该方法需要格外小心。序列中每个瞬间的系统大小必须选择为匹配光学限制，谐波势必须近乎完美，势阱修改的时间必须精确控制。约希姆及其同事通过在越来越复杂的环境中应用他们的方法，展示了这种控制水平：从单个原子，到六个非相互作用原子，到一对相互作用原子（一个自旋向上，另一个自旋向下），最后到六个自旋向上原子与六个自旋向下原子相互作用。在此过程中，研究人员还提供了一个基准测试协议，以验证放大器的可靠性。

原则上，这种方法可应用于包含许多粒子的系统。特别引人注目的应用在于研究展现出诸如超固态 和自束缚量子液滴 等迷人现象的量子系统。近年来，这些状态已在多个实验中被观测到，目前正使用由超冷偶极分子构成的类似系统进行探索 ，超冷偶极分子是一个越来越有吸引力的量子模拟平台 。此处引入的波函数放大器，对于了解此类状态的微观结构可能至关重要，因为在这些状态中，粒子间距仅约为0.1微米。