物理学家为Fermionic原子构建量子气体显微镜

研究生劳伦斯Cheuk调整光学设置，用于激光冷却钠原子。

一支物理学家团队建造了一种显微镜，能够立即冻结和图像1,000次辛辛基菌原子。

费粒是物质的构建块，在多种排列中相互作用，以产生周期表的元素。没有费米，物理世界就不存在。

离子晶片的实例是电子，质子，中子，夸克和由奇数这些基本粒子组成的原子。由于他们的Fermionic性质，从理论上难以理解的电子和核物质，因此研究人员正试图将Fermionic原子的超级气体用作其他费粒的竖立件。

但原子对光线非常敏感：当单个光子击中原子时，它可以将粒子敲出到位 - 一种使成像疏近的Fermionic原子变硬的效果。

现在，一支麻省理工学院物理学家建造了一种显微镜，能够看到最多1,000个近1,000个渗透性原子。研究人员设计了一种基于激光的技术来捕获和冻结码头，并同时以颗粒图像图像。

新的成像技术使用在光学晶格中的云云上培训的两个激光束。两个光束，每个不同的波长，冷却云，导致近渗透的费米子下降到能量水平，最终将它们带到其最低能量状态 - 冷却稳定，足够稳定以保持到位。同时，每个FERMION释放光，该光线被显微镜捕获，并用于将FERMION在晶格中的精确位置图像拍摄 - 比光的波长更好地进行精度。

通过新技术，研究人员能够冷却和图像超过95％的Fermionic原子，构成钾储云。MIT的物理学教授Martin Zwierlein说，该技术的有趣结果似乎是它即使在成像之后也可以保持污垢。

“这意味着我知道他们在哪里，我可以用一个小镊子向任何地方移动它们，并以任何我想要的模式安排它们，”Zwierlein说。

Zwierlein及其同事，包括第一作者和研究生劳伦斯顺，今天在日志物理审查信中发表了他们的结果。

从玻色子中看到蜕皮

在过去的二十年中，实验物理学家研究了两类颗粒的超级原子气体：离费米米和骨髓颗粒，例如光子，与费团不同，可以在无限数中占据相同的量子状态。2009年，哈佛大学的物理学家马克斯格勒设计了一种显微镜，可在紧密间隔的光学晶格中成功成熟肌肉。遵循这一里程碑，于2010年，由第二次玻色子显微镜，由Immanuel Bloch集团在Max Planck的量光学研究所开发。

这些显微镜以前所未有的细节揭示，玻色子在强烈的相互作用下的行为。然而，没有人尚未开发一种用于Fermionic原子的可比较显微镜。

“我们想做这些群体为玻色子做的事情，但对于费米尔斯来说，”Zwierlein说。“它据说，费米玛因更难，因为我们使用的原子并不容易被冷却。所以我们不得不在看着他们时找到一种新的方式来冷却它们。“

近几十年来，已经设计了凉爽原子较近绝对零的技术。Carl Wieman，Eric Cornell和MIT的Wolfgang Ketterle能够在1995年实现Bose-Einstein Constensation，这是一个里程碑，他们被授予2001年诺贝尔物理奖。其他技术包括使用激光器从300摄氏度从300摄氏度冷却原子的过程到绝对零的程度的少数千分之一。

巧妙的冷却技术

然而，为了看到透明的Fermionic原子，需要进一步冷却颗粒。为此，Zwierlein的组使用激光束创建了一个光学格子，形成了类似鸡蛋纸盒的结构，每个孔可能捕获单个Fermion。通过各种激光冷却，磁捕获和进一步蒸发气体冷却的阶段，在高于绝对零冷却的温度下制备原子，足以渗透以沉降到下面的光学晶格上。该团队从成像镜头中放置了7微米的格子，他们希望看到穷人的费米。

然而，看到费米子需要闪耀着它们，导致光子基本上从其井中敲出冰淇淋原子，并且可能完全脱离系统。

“我们需要一个聪明的技术，以在看着它们的同时保持原子凉爽，”Zwierlein说。

他的团队决定使用双激光方法进一步冷却原子;该技术操纵原子的特定能量水平或振动能量。每个原子占据某种能量状态 - 状态越高，颗粒的活性越多。该团队在晶格中闪耀两个不同频率的激光束。频率的差异对应于费米子的能量水平之间的能量。结果，当两个光束被引导到度米焦时，颗粒将吸收较小的频率，并从较大频率的光束发射光子，否则将一个能级滴到冷却器，更惰性状态。晶格上方的镜头收集发射的光子，记录其精确位置，以及FERMION的光子。

Zwierlein表示，同时增强了1000多个Fermionic原子的这种高分辨率成像将增强我们对自然界的其他费粒的行为的理解 - 特别是电子的行为。这本知识可以一天推进我们对高温超导体的理解，使能源输送能力，以及固态系统或核物质等量子系统。

“费米气体显微镜以及将原子的能力一起朝向基于费米氏座来实现量子计算机的重要步骤，”Zwierlein说。“一个人会利用迄今为止妨碍我们对电子系统的理解的相同复杂量子规则的力量。”

Zwierlein说，这是费米煤气显微镜的好时机：在同一时他的团队首次报告了其结果，来自格拉斯哥的哈佛大学团队和格拉斯哥的斯特拉斯科尔德大学还报告了光学格子中的杀菌近在咫尺的成像，表明这种显微镜的未来未来。

Zoran Hadzibabic是Trinity College的物理学教授表示，该集团的显微镜能够检测到几乎完美的忠诚的唯一原子。“

“他们可靠地检测到它们，并在不影响他们的立场的情况下这样做 - 这就是你所想要的，”Hadzibabic说，没有贡献这项研究。“到目前为止，他们证明了这项技术，但我们从玻色子的经验中知道这是最艰难的一步，我希望科学的结果开始倾注。”

该研究部分由国家科学基金会，科学研究，海军研究办公室，军队研究办公室和大卫和露狼基金会基金会提供资金。

出版物：Lawrence W. Cheuk，等，“Fermionic原子的量子气体显微镜”。莱特牧师2015年5月13日114,193001; DOI：10.1103 / physrevlett.114.193001

图像：荷西-路易斯·奥利瓦雷斯/麻省理工学院