科学家捕获单原子间自由作用图像

科技日报北京5月7日电 （记者张佳欣）美国麻省理工学院的物理学家首次捕捉到单个原子在现实空间中自由相互作用的图像，揭示了“自由运动”粒子之间的关联。这种关联此前仅为预测，却从未被直接观察到。该研究成果5日发表于《物理评论快报》期刊，有助于科学家将真实空间中未曾被看见过的量子现象可视化。

单个原子的直径约为十分之一纳米，数百万个原子才能排满一根人类发丝的宽度。与发丝不同的是，原子的行为和相互作用遵循量子力学规律，正是这种量子特性使得原子难以理解。例如，人们无法同时精确知道一个原子的位置和运动速度。这种不确定性长期以来一直阻碍着科学家拍摄运动中的原子，尤其是在它们相互作用时。

为攻克这一难题，团队创新性地开发了“原子分辨显微术”。首先，他们让一团原子在激光束形成的松散陷阱中相互作用；然后，他们突然打开一个光学晶格，有效地将原子冻结在原地；接着，用第二束激光照亮这些悬浮的原子，显示它们的单个位置，而时间刚好足够拍摄一张快照。团队将成像技术应用于直接观测玻色子和费米子之间的量子相互作用。玻色子（如光子）之间倾向于相互吸引；而费米子（如电子）之间则相互排斥。这种差异在新技术拍摄的图像中清晰可见。

在低温环境下，研究团队观察到倾向于相互吸引的玻色子在一团钠原子云中聚集在一起，形成了玻色—爱因斯坦凝聚态。在这种状态下，所有粒子共享同一量子态。这一发现证实了一个长期预测，即玻色子聚集现象是它们能够共享同一量子波的直接结果。

团队还对由两种锂原子组成的云团进行了成像，他们拍摄到了这些相反自旋的费米子成对出现的现象，揭示了超导背后的关键机制。

团队表示，以单原子分辨率对连续介质中的量子气体进行成像，不仅是一项技术突破，也是一种解码物质最复杂相态的新“语言”。这项研究有助于设计未来的量子设备，包括传感器、模拟器和计算机。