麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家們發(fā)明了一種可以看到多達(dá)1000單獨(dú)費(fèi)米子的顯微鏡。研究人員設(shè)計(jì)了一種基于激光技術(shù)，凍結(jié)并困住費(fèi)米子并拍攝粒子圖像。
費(fèi)米子包括有電子，質(zhì)子，中子，夸克等核子組成的奇數(shù)的基本粒子——物質(zhì)的構(gòu)成是在眾多粒子交互排列形成了各種元素。因?yàn)樗麄兊馁M(fèi)米特性，電子和核物質(zhì)在理論上很難理解，所以研究人員嘗試使用超冷氣體冷凍費(fèi)米子原子。但費(fèi)米子的單獨(dú)成像幾乎是不可能的，因?yàn)樗麄儗?duì)光線非常敏感，當(dāng)一個(gè)光子撞擊一個(gè)原子，粒子的位置會(huì)改變。
為了避免這些問題，新的成像技術(shù)使用了兩束激光束對(duì)準(zhǔn)晶格中的費(fèi)米子原子云。兩束不同的波長(zhǎng)的光，冷凍原子云，降低費(fèi)米子能級(jí)，最終達(dá)到基態(tài)。同時(shí)，每個(gè)費(fèi)米子釋放光，被顯微鏡捕捉到，拍攝到費(fèi)米子的確切位置。
研究人員用這項(xiàng)新技術(shù)能夠冷凍并拍攝超過95%的費(fèi)米子。Martin Zwierlein，麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授說還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象，費(fèi)米子拍完后還處于冷凍狀態(tài)。
“這意味著我知道他們?cè)谀抢?，我可以用一個(gè)小鑷子將它們移動(dòng)到任何位置，并安排他們?cè)谌魏文Ｊ轿蚁搿?rdquo;Zwierlein說。研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
在過去的二十年里，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家研究超冷原子氣體的兩類粒子：費(fèi)米子和玻色子，例如光子與費(fèi)米子不同的是，可以在無限地占據(jù)相同的量子態(tài)。2010年，一個(gè)玻色子顯微鏡被麥克斯·普朗克量子光學(xué)研究所開發(fā)出來，用來揭示在強(qiáng)相互作用下玻色子的行為。然而，還沒有人發(fā)明了一種類似費(fèi)密子顯微鏡。
冷卻原子到絕對(duì)零度的技術(shù)已經(jīng)計(jì)劃了幾十年。在1995年，康奈爾的Carl Wieman和麻省理工的Wolfgang Ketterle實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚，被授予2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其他技術(shù)包括使用激光冷卻原子，從300攝氏度到接近絕對(duì)零度。
然而，觀察單獨(dú)的費(fèi)米子需要進(jìn)一步冷卻。要做到這一點(diǎn)，Zwierlein團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種光學(xué)晶格，像一個(gè)盒子樣的結(jié)構(gòu)，每個(gè)都可能困住一個(gè)費(fèi)米子。通過激光冷卻，磁捕捉，進(jìn)一步蒸發(fā)冷卻氣體等不同階段，得到略高于絕對(duì)零度——足夠使費(fèi)米子進(jìn)入光學(xué)晶格中。
他的團(tuán)隊(duì)決定使用雙激光方法進(jìn)一步冷卻原子；操縱原子的特定的能量水平或振動(dòng)能量。團(tuán)隊(duì)用兩束不同頻率的激光照射晶格。頻率的差異與費(fèi)米子的能級(jí)一致。因此，當(dāng)雙光束射向費(fèi)米子，粒子會(huì)吸收較小的頻率，并從較大的頻率發(fā)出光子，反過來降低一個(gè)能級(jí)，穩(wěn)定狀態(tài)。晶格上的鏡頭收集發(fā)射光子，記錄其精確位置。
“費(fèi)米氣體的顯微鏡，和隨意擺弄原子位置的能力，可能是實(shí)現(xiàn)費(fèi)米量子計(jì)算機(jī)的重要一步，”Zwierlein說。“有人會(huì)利用同樣的復(fù)雜量子規(guī)則，妨礙我們對(duì)電子系統(tǒng)的理解。”
Zwierlein說，這是一個(gè)很好的時(shí)機(jī)：大約在同一時(shí)間，他的團(tuán)隊(duì)首先公布了結(jié)果，來自哈佛大學(xué)和斯特拉斯克萊德大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在格拉斯哥也發(fā)表了費(fèi)密子在光晶格圖像，指出這種顯微鏡的美好未來。
這項(xiàng)研究的部分資金由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)，美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室，美國(guó)海軍研究辦公室，陸軍研究辦公室，戴維和露西爾帕卡德基金會(huì)提供。
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