科學家發明「看」量子世界的新方法
【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】JILA科學家們發明了一種新的成像技術，它能在原子鐘內快速精確地測量出量子行為，這種測量方式是一種近乎即時的視覺藝術。這項技術結合了光譜學，它從光和物質的相互作用中提取信息，並使用高解析度顯微鏡。正如物理評論快報所描述的那樣：JILA方法使三維鍶晶格原子鐘內的原子間能量的空間映射，提供了每個原子的位置和能級，或量子態的信息。這項技術迅速測量了對原子鐘來說很重要的物理效應，從而提高了時鐘的精度，並為研究磁性和超導等現象增加了新的原子級細節。在未來這種方法可能會讓科學家最終看到新的物理學，例如量子物理學和重力之間的聯繫。JILA由美國國家標準與技術協會(NIST)和科羅拉多大學博爾德分校聯合運營。
用JILA的新成像技術製作的藝術品，它能快速精確地測量原子鐘內的量子行為。這些圖像是在基態(藍色)或激發態(紅色)中檢測到的原子的偽色表示。白色區域代表了兩個狀態中原子的精細混合物，在圖像中產生了量子「噪音」。這是因為所有的原子最初都是在疊加的量子狀態下，或者是地面和激發態同時進行的，而成像測量則會導致兩種狀態之一的坍縮。這種成像技術將有助於提高時鐘精度，為研究諸如磁性和超導性等現象增加新的原子級細節，並在未來可能允許科學家「看」新物理。圖片版權：Marti/JILA
JILA / NIST的小君葉說：這種技術可以讓我們寫一篇美麗的「音樂」激光和原子，然後映射到結構和凍結它像一塊石頭,所以我們可以觀察單個原子聽不同音調的激光,直接讀出圖像。原子處於所謂的量子簡併氣體中，大量的原子相互作用。這種「量子多體」現象將測量精度擴展到了新的極端。研究人員利用激光脈衝將大約10000個鍶原子從低能量的基態轉化為高能的激發態。然後在晶格下面的藍色激光被垂直地向上穿過原子，一個攝像機拍攝了原子投射的陰影，這是它們吸收的光的作用。基態原子吸收更多的光。得到的圖像是在基態(藍色)和激發態(紅色)的原子的偽色表示。白色區域代表的是50%的紅色和50%的藍色，形成了斑紋的效果。
這是因為這些原子最初是在疊加的量子狀態下，或者是地面和激發態同時準備的，而成像測量則會導致兩個狀態中的一個坍縮，從而在圖像中產生「噪音」。作為一個演示，JILA團隊創建了一系列的圖像，以在晶格的不同區域內繪製小頻率偏移，或在激發態中原子的分數。同時進行比較的能力提高了一組原子的測量精度和速度。研究人員報告稱：在6小時內測量頻率為2.5 x 10-19(誤差僅為0.25個百分點)，達到了創紀錄的精度。成像光譜學有望大大提高JILA原子鐘和其他原子鐘的精度。成像光譜提供了有關原子的局部環境的信息，類似於掃描隧道顯微鏡提供的難以置信的解析度。
到目前為止，該方法已經被用於製作二維圖像，但它可以根據層析成像技術製作三維圖像，該方法結合了實體物體的多個橫截面。一種人造晶體，原子的晶格也可以用來作為磁性或重力感測器來測試不同物理場之間的相互作用。最激動的是未來可能利用原子鐘作為重力感測器，來看看量子力學是如何在非常小的空間尺度上運行的，它與廣義相對論、引力理論、宏觀力相互作用。著時鐘在未來20年變得越來越好，這個小水晶不僅可以描繪出重力如何影響頻率，而且我們也可以開始看到重力和量子力學的相互作用，這是一種物理效應，沒有任何實驗探測器測量過。這種成像技術可能成為一個非常重要的工具。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
參考：物理評論快報
內容：經「博科園」判定符合今主流科學
來自：國家標準技術研究院
編譯：光量子
審校：博科園
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