新しいイメージング技術により、科学者は初めて光格子内の個々の原子の 3D 位置が得られ、2D 画像のみを提供する以前の方法を上回りました。ドイツのボン大学と英国のブリストル大学のチームによって開発されたこの技術は、原子ベースの量子シミュレーターの精度を向上させ、新しい量子材料の開発に役立つ可能性がある。

「私たちは今、光格子内の原子の単一のスナップショットを取得し、それらが 3 次元すべてのどこにあるかを正確に確認できるようになりました」と説明します。 キャリー・ワイドナー および アンドレア・アルベルティ、この技術の開発を共同主導しました。 「これまでの光学検出技術は、原子の『平面』写真を撮影することに限定されていましたが、原子は平面の世界に住んでいるわけではありません。」

光格子内の原子の実験は通常、レーザー光を使用して原子を絶対零度より少し高い温度まで冷却することから始まります。これにより、速度がほぼ停止し、レーザー光の定在波、つまり格子の中に閉じ込められるようになります。捕捉されると、原子は追加のレーザー光線にさらされて蛍光を発します。この蛍光を画像化することで、研究者は原子の位置を決定できます。

このイメージング プロセスは量子ガス顕微鏡として知られており、10 年以上前に物理学者によって開発されました。 ハーバード大学 米国とで マックス・プランク量子光学研究所 ドイツ語に。ただし、標準的な方法では、各原子の x 座標と y 座標のみが提供されます。 z 方向の原子の位置、つまりイメージング システム内の対物レンズからの原子の距離に関する情報が不足していました。

相変化

新しい方法は、蛍光を発する原子から発せられる光を取得し、それがカメラに到達する前に変更することでこの問題を解決します。より具体的には、この方法は、原子画像が撮像システムの視線に沿った位置の関数として空間内で回転するように見えるように、放射されるライトフィールドの位相を変化させる。

「量子ガス顕微鏡で通常生成される典型的な丸い斑点の代わりに、変形した波面はカメラ上でそれ自身の周りを回転するダンベル形状を生成します」とアルベルティ氏は説明します。 「このダンベルが指す方向は、光が原子からカメラまで伝わる距離によって決まります。」

したがって、ダンベルはコンパスの針のような役割を果たし、研究者がその方向に応じて Z 座標を読み取ることができると付け加えます。 ボン研究所を率いるディーター・メシェデ氏 実験が行われた場所。

長い歴史を持つアイデア

ワイドナー氏によると、この研究の最初のアイデアは次のようなものから来ています。 ウィリアム・モアナー および ラファエル・ピエストゥン の大学で スタンフォード および コロラド州、 それぞれ。アルベルティ氏は、ライトフィールドの位相を利用して発光粒子の z 位置に関する情報を取得するということは、これまで誰も考えつかなかったことは「興味深い」と付け加えています。ライトフィールドの位相を制御することは決して新しいことではない、と彼は言う。

「実際には長い歴史があります。実際、鮮明な（そしてぼやけていない）画像を取得するために、適切に設計されたすべてのイメージング システムは、カメラの表面（または私たちの目の網膜）に到達するすべての光線の位相を調整するように構築されています。同じです – これは有名なフェルマーの原理です」と彼は説明します。 「これらの位相差をすべて等しくすることが光学収差を補正します。これは本質的に、視力を改善するために眼鏡を着用するときに行うことです。」

アルベルティ氏は、この技術における最大の課題の 1 つは、それを実現するためにフルタイムで働ける有能な実験者を見つけることであったと付け加えた。 「修士課程の学生であるタンギ・ルグランがこの挑戦に挑戦することを決意したのは幸運でした」と彼は言います。 「彼がいなかったら、私たちが今日成功した結果を報告することはなかったでしょう。」

単一の画像で正確な位置を確認

単一の画像で原子の 3D 位置を正確に決定できることは、さまざまな状況で役立つ可能性があります。これにより、原子間の特定の相互作用を引き起こしやすくなる可能性があり、科学者が特殊な特性を備えた新しい量子材料を開発するのに役立つ可能性があります。 「原子が特定の順序で配置されているときに発生する量子力学的効果の種類を調査できる可能性があります」とワイドナー氏は示唆しています。 「これにより、XNUMX 次元材料を合成することなく、その特性をある程度シミュレートできるようになります。」

新しい技術により 3D 量子ガスが顕微鏡下に置かれる

さらなる利点は、以下で詳しく説明されているテクニックです。 フィジカルレビューA、非常に一般的です。 「私たちの手法は、分子、イオン、実際にはあらゆる量子エミッターを含む多くのシステムに適用できます」とワイドナー氏は言う。 「この手法が世界中の 3D 量子シミュレーションの取り組みに適用されることを期待しています。」

長期的には、研究者らの「夢」は、数千の原子を含む大きなアレイの 3D 位置を再構成することだと述べています。これらの大きなアレイには広い視野が必要であり、それには光学収差が伴うと彼らは説明する。 「改良された再構成法がこれらの収差に対処できるようになり、それによって私たちの技術を適用できる視野が広がることを期待しています」と彼らは言う。 「これらは、より高密度に充填された格子内で互いに上に位置する原子の 3D 位置を見つけるのにも役立つ可能性があります。」

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• 情報源： https://physicsworld.com/a/new-method-pinpoints-the-3d-location-of-cold-atoms-in-a-lattice/