美国一家研究实验室已经开发了一种将光谱学与高分辨率显微镜相结合的成像技术，能够对原子钟中的量子行为进行快速且准确地测量。物理学家认为，该技术能够提高原子钟的精度，并为测量多体相互作用和测试基础物理提供了一条途径。该项技术是由美国国家标准与技术研究院和美国科罗拉多大学共同运作的研究机构——天体物理联合实验室（JILA）的科学家开发的，它使得能量在三维锶晶格原子钟中的原子之间移动，并提供关于每个原子的量子态信息。原子存在于所谓的量子退化气体中，其中大量的原子之间会产生相互作用。

天体物理联合实验室与美国国家标准技术研究所（NIST）研究员Jun Ye表示：“这项技术使我们能够用激光和原子写出一段美丽的‘音乐’，然后将其映射到一个结构中，并像石头一样冻结它，这样我们就能够看到各个原子表现出的不同行为，并读取出来直接作为图像。”为了准备用于成像的原子，研究人员使用激光脉冲将大约10000个锶原子从基态抽运到激发态。然后将蓝色激光器放置在晶格下面垂直照射并穿过原子。研究人员拍摄了原子投射的阴影，其中阴影表示原子吸收了多少光。由此产生的图像显示在基态和激发态下的原子伪彩色表示，以及在约50％基态和50％激发态混合物中表示原子的区域。

这是天体物理联合实验室利用新的成像技术制作的“艺术作品”，它能够快速精确地测量原子钟中的量子行为。图像是在基态（蓝色）或激发态（红色）中检测到的原子的伪色表示。白色区域代表两种状态下的精细混合物，这会在图像中产生量子噪声。这是因为所有的原子最初都是在叠加的量子状态下，或者同时处于基态和激发态下，并且成像测量会促使原子塌陷成为两种状态之一。成像技术将有助于提高时钟精度并表现出新的原子级细节，用以研究磁性和超导性等现象。图片来源：Marti/天体物理联合实验室。

为了演示该技术，天体物理联合实验室的研究团队创建了一系列图像来映射原子在晶格不同区域的微小频移。研究人员报告称，他们进行了6小时的测量，其频率精度达到了2.5×10−19。成像光谱能够提供关于原子的局部环境信息，类似于扫描隧道显微镜提供的分辨率。到目前为止，该技术已被用于生成二维图像，但研究人员表示，它还能用于制作三维图像，类似层析成像进行逐层测量。

原子晶格能够用作磁性或重力传感器来测试不同物理领域之间的相互作用。对于未来将时钟中的原子用作重力传感器的可能性，Ye表示今后将能够以了解量子力学如何在非常小的空间尺度上运作，与广义相对论产生相互作用。Ye表示：“我们的设计将接下来的20年里变得更好，这颗小巧的水晶不仅能够确定重力如何影响频率，而且我们也开始看到重力和量子力学的相互作用，这是一种物理效应，没有任何实验探针曾经测量过。这种成像技术可能成为一种非常重要的工具。”

该研究发表于《物理评论快报》。

来源： https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=63202

本文受译者委托，享有该文的专有出版权，其他出版单位或网站如需转载，请与本站联系，联系email：mail@opticsjournal.net。否则，本站将保留进一步采取法律手段的权利。