物理学家开发新技术来“看”量子世界

用JILA的新成像技术制作的作品,能够快速准确地测量原子钟中的量子行为。图像是在基态(蓝色)或激发态(红色)中检测到的原子的伪色表示。白色区域代表两种状态下的细微混合物,这会在图像中产生量子“噪声”。这是因为所有的原子最初都是在叠加的量子状态下,或者同时处于基态和激发态下,并且成像测量会促使塌陷成为两种状态之一。成像技术将有助于提高时钟精度,为研究诸如磁性和超导性等现象增加新的原子级细节,并且在未来可能允许科学家“看到”新的物理学。信用:Marti / JILA

JILA的科学家们发明了一种新的成像技术,以近乎即时的视觉艺术的形式,在原子钟中快速准确地测量量子行为。该技术结合了光谱学和高分辨率显微镜,光谱学提取光和物质之间相互作用的信息。

正如“物理评论快报”(链接是外部的)中所述,JILA方法可以在三维锶晶格原子钟中的原子之间制作能量位移的空间图,提供关于每个原子的位置和能级或量子态的信息。

该技术能够快速测量对原子钟很重要的物理效应,从而提高时钟的精度,并且可以为研究磁性和超导性等现象增加新的原子级细节。在未来,该方法可能允许科学家最终看到新的物理学,如量子物理学与引力之间的联系。

JILA由美国国家标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校共同运营。

“这项技术使我们能够用激光和原子写出一段美丽的”音乐“,然后将其映射到一个结构中,并像石头一样冻结它,这样我们就可以看到各个原子在聆听激光的不同色调,读取直接作为图像,“JILA / NIST研究员Jun Ye说。

原子处于所谓的量子退化气体中,其中大量的原子相互作用。这种“量子多体”现象正在将测量精度扩展到新的极限。

为了准备美丽镜头的原子,研究人员使用激光脉冲将大约10,000个锶原子从其低能基态驱动到高能激发态。然后,位于晶格下方的蓝色激光器通过原子向上垂直照射,照相机拍摄原子投射的阴影的图片,这是他们吸收多少光线的函数。基态原子吸收更多的光。

由此产生的图像是基态(蓝色)和激发态(红色)原子的伪色表示。白色区域代表原子处于大约50%红色和50%蓝色的精细混合物中,产生斑驳效果。这是因为这些原子最初是在重叠的量子状态下,或者同时处于基态和激发态,并且成像测量会导致崩溃成为两个状态之一,从而在图像中产生“噪声”。

作为演示,JILA团队创建了一系列图像,用于映射晶格不同区域的小频率偏移或激发态原子的分数。同时进行比较的能力提高了测量一组原子的精度和速度。研究人员报告称,在6小时内测量频率为2.5×10-19(误差仅为十亿分之十五)的记录精度。成像光谱学预计将大大提高JILA原子钟和其他原子钟的精度。

成像光谱提供关于原子的局部环境的信息,类似于通过扫描隧道显微镜提供的令人难以置信的分辨率。到目前为止,该方法已被用于生成二维图像,但它可以基于逐层测量制作三维图像,如同在断层摄影中所做的那样,它将多个固体物体的横截面组合在一起。

一种人造晶体,原子晶格也可以用作磁性或重力传感器来测试不同物理领域之间的相互作用。对于将时钟中的原子用作重力传感器的未来可能性,Ye感到非常兴奋,了解量子力学如何在非常小的空间尺度上运行,与广义相对论,重力理论以及宏观力相互作用。

“随着时间在未来20年中变得更好,这颗小巧的水晶不仅能够计算出重力如何影响频率,而且我们也可以开始看到重力和量子力学的相互作用,”叶说。 “这是一种物理效应,没有任何实验探针曾经测量过。这种成像技术可能成为一个非常重要的工具。“

该研究得到了NIST,国防高级研究计划署,空军科学研究办公室和国家科学基金会的支持。

出版物:G.E. Marti,R.B.Hutson,A.Goban,S.L. Campbell,N. Poli and J. Ye。,“Imaging Optical Frequencies with100μHzPrecision and1.1μmResolution,”Physical Review Letters,2018; DOI:10.1103 / PhysRevLett.120.103201

资料来源:国家标准与技术研究院Laura Ost