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    科学家发明“看”量子世界的新方法

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      普朗克

      【博科园-科学科普(关注“博科园”看更多)】JILA科学家们发明了一种新的成像技术,它能在原子钟内快速精确地测量出量子行为,这种测量方式是一种近乎即时的视觉艺术。这项技术结合了光谱学,它从光和物质的相互作用中提取信息,并使用高分辨率显微镜。正如物理评论快报所描述的那样:JILA方法使三维锶晶格原子钟内的原子间能量的空间映射,提供了每个原子的位置和能级,或量子态的信息。这项技术迅速测量了对原子钟来说很重要的物理效应,从而提高了时钟的精度,并为研究磁性和超导等现象增加了新的原子级细节。在未来这种方法可能会让科学家最终看到新的物理学,例如量子物理学和重力之间的联系。JILA由美国国家标准与技术协会(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校联合运营。

      科学家发明“看”量子世界的新方法

      用JILA的新成像技术制作的艺术品,它能快速精确地测量原子钟内的量子行为。这些图像是在基态(蓝色)或激发态(红色)中检测到的原子的伪色表示。白色区域代表了两个状态中原子的精细混合物,在图像中产生了量子“噪音”。这是因为所有的原子最初都是在叠加的量子状态下,或者是地面和激发态同时进行的,而成像测量则会导致两种状态之一的坍缩。这种成像技术将有助于提高时钟精度,为研究诸如磁性和超导性等现象增加新的原子级细节,并在未来可能允许科学家“看”新物理。图片版权:Marti/JILA

      JILA / NIST的小君叶说:这种技术可以让我们写一篇美丽的“音乐”激光和原子,然后映射到结构和冻结它像一块石头,所以我们可以观察单个原子听不同音调的激光,直接读出图像。原子处于所谓的量子简并气体中,大量的原子相互作用。这种“量子多体”现象将测量精度扩展到了新的极端。研究人员利用激光脉冲将大约10000个锶原子从低能量的基态转化为高能的激发态。然后在晶格下面的蓝色激光被垂直地向上穿过原子,一个摄像机拍摄了原子投射的阴影,这是它们吸收的光的作用。基态原子吸收更多的光。得到的图像是在基态(蓝色)和激发态(红色)的原子的伪色表示。白色区域代表的是50%的红色和50%的蓝色,形成了斑纹的效果。

      这是因为这些原子最初是在叠加的量子状态下,或者是地面和激发态同时准备的,而成像测量则会导致两个状态中的一个坍缩,从而在图像中产生“噪音”。作为一个演示,JILA团队创建了一系列的图像,以在晶格的不同区域内绘制小频率偏移,或在激发态中原子的分数。同时进行比较的能力提高了一组原子的测量精度和速度。研究人员报告称:在6小时内测量频率为2.5 x 10-19(误差仅为0.25个百分点),达到了创纪录的精度。成像光谱学有望大大提高JILA原子钟和其他原子钟的精度。成像光谱提供了有关原子的局部环境的信息,类似于扫描隧道显微镜提供的难以置信的分辨率。

      到目前为止,该方法已经被用于制作二维图像,但它可以根据层析成像技术制作三维图像,该方法结合了实体物体的多个横截面。一种人造晶体,原子的晶格也可以用来作为磁性或重力传感器来测试不同物理场之间的相互作用。最激动的是未来可能利用原子钟作为重力传感器,来看看量子力学是如何在非常小的空间尺度上运行的,它与广义相对论、引力理论、宏观力相互作用。着时钟在未来20年变得越来越好,这个小水晶不仅可以描绘出重力如何影响频率,而且我们也可以开始看到重力和量子力学的相互作用,这是一种物理效应,没有任何实验探测器测量过。这种成像技术可能成为一个非常重要的工具。

      • 知识:科学无国界,博科园-科学科普

      • 参考:物理评论快报

      • 内容:经“博科园”判定符合今主流科学

      • 来自:国家标准技术研究院

      • 编译:光量子

      • 审校:博科园

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