科學家捕獲單原子間自由作用圖像

科技日報北京5月7日電 （記者張佳欣）美國麻省理工學院的物理學家首次捕捉到單個原子在現實空間中自由相互作用的圖像，揭示了“自由運動”粒子之間的關聯。這種關聯此前僅為預測，卻從未被直接觀察到。該研究成果5日發表於《物理評論快報》期刊，有助於科學家將真實空間中未曾被看見過的量子現象可視化。

單個原子的直徑約為十分之一納米，數百萬個原子才能排滿一根人類髮絲的寬度。與髮絲不同的是，原子的行為和相互作用遵循量子力學規律，正是這種量子特性使得原子難以理解。例如，人們無法同時精確知道一個原子的位置和運動速度。這種不確定性長期以來一直阻礙着科學家拍攝運動中的原子，尤其是在它們相互作用時。

為攻克這一難題，團隊創新性地開發了“原子分辨顯微術”。首先，他們讓一團原子在激光束形成的鬆散陷阱中相互作用；然後，他們突然打開一個光學晶格，有效地將原子凍結在原地；接着，用第二束激光照亮這些懸浮的原子，顯示它們的單個位置，而時間剛好足夠拍攝一張快照。團隊將成像技術應用於直接觀測玻色子和費米子之間的量子相互作用。玻色子（如光子）之間傾向於相互吸引；而費米子（如電子）之間則相互排斥。這種差異在新技術拍攝的圖像中清晰可見。

在低温環境下，研究團隊觀察到傾向於相互吸引的玻色子在一團鈉原子雲中聚集在一起，形成了玻色—愛因斯坦凝聚態。在這種狀態下，所有粒子共享同一量子態。這一發現證實了一個長期預測，即玻色子聚集現象是它們能夠共享同一量子波的直接結果。

團隊還對由兩種鋰原子組成的雲團進行了成像，他們拍攝到了這些相反自旋的費米子成對出現的現象，揭示了超導背後的關鍵機制。

團隊表示，以單原子分辨率對連續介質中的量子氣體進行成像，不僅是一項技術突破，也是一種解碼物質最複雜相態的新“語言”。這項研究有助於設計未來的量子設備，包括傳感器、模擬器和計算機。