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纳秒时间尺度上单个冷原子的超分辨成像

物理学 2023-02-23 11:20:54

中国科学技术大学 信用:unsplash 中国科学院中国科学技术大学郭光灿院士团队在冷原子超分辨成像研究方面取得了重要进展

该团队实现了离子阱系统中单个离子的超分辨率成像

研究结果发表在《物理评论快报》上

冷原子系统是研究量子物理的理想实验平台,也是量子模拟、量子计算和量子精密测量实验研究的重要物理系统

冷原子系统的核心实验技术之一是高分辨率单粒子成像

近十年来,冷原子系统的显微成像技术发展迅速

然而,新发展的技术仍然受到基本光学衍射极限的限制,分辨率只能达到光学波长的数量级

很难研究与波函数细节相关的量子现象

研究这些问题需要光学超分辨率成像

光学超分辨率成像已经发展成为化学和生物领域的成熟工具

然而,由于冷原子实验的复杂性,将超分辨率成像技术应用于冷原子系统具有极大的挑战性

在此之前,世界上对单个原子(离子)的直接超分辨率成像还没有取得进展

在这项研究中,研究人员采用了经典超分辨率成像领域中受激发射损耗(STED)显微术的主要思想,将其与冷原子系统的原子量子态初始化和读取技术相结合

他们首次实现了单个冷原子(离子)的超分辨成像

实验结果表明,该成像方法的空间分辨率可以超过衍射极限一个数量级以上,使用数值孔径仅为0的物镜可以获得175 nm的成像分辨率

一个

为了进一步证明这种方法的时间分辨率优势,研究人员实现了50 ns的时间分辨率和10 nm的单个离子定位精度,并使用这种方法清晰地捕获阱中离子的快速谐波振荡

理论上,通过增加成像物镜的数值孔径和耗尽光(环形光斑)的中心消光比,空间分辨率可以进一步提高到10纳米以下

这一实验技术可以推广到冷原子系统的多体和关联测量,并与其他冷原子系统具有广泛的兼容性

它可以应用于光学晶格、中性原子光镊和冷原子-离子杂化系统

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