我國科學家實現(xiàn)單離子超分辨成像 成果日前發(fā)表于《物理評論快報》

記者27日從中國科學技術(shù)大學獲悉，該校郭光燦院士團隊在冷原子超分辨成像研究中取得重要進展，該團隊李傳鋒、黃運鋒、崔金明等人在離子阱系統(tǒng)中實現(xiàn)單離子超分辨成像。該成果日前發(fā)表于《物理評論快報》。

冷原子系統(tǒng)包括離子阱中囚禁的離子和光場中囚禁的原子等，是研究量子物理的理想實驗平臺，也是量子模擬、量子計算和量子精密測量實驗研究的重要物理系統(tǒng)。冷原子系統(tǒng)中的核心實驗技術(shù)之一是高分辨單粒子成像。近十年來，冷原子系統(tǒng)的顯微成像技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出量子氣體顯微鏡、光鑷原子陣列、高分辨率囚禁離子成像等先進技術(shù)。然而，受限于光學衍射極限，這些技術(shù)分辨率只能達到光學波長量級，研究波函數(shù)細節(jié)相關(guān)的量子現(xiàn)象需要光學超分辨成像。此前，國際上對單原子(離子)直接的超分辨成像尚未取得進展。

中國科學技術(shù)大學團隊借鑒經(jīng)典成像領(lǐng)域的受激耗盡超分辨成像方法，結(jié)合冷原子系統(tǒng)的原子量子態(tài)初始化和讀取技術(shù)，首次在離子阱中實現(xiàn)單個離子的超分辨成像。實驗結(jié)果表明，該成像方法的空間分辨率可超越衍射極限一個量級以上，利用數(shù)值孔徑僅為0.1的物鏡即可實現(xiàn)175納米的成像分辨率。為了進一步展示該方法的時間分辨率優(yōu)勢，團隊同時實現(xiàn)了50納秒的時間分辨率和10納米的單離子定位精度，并清晰地拍攝了囚禁離子在離子阱中的快速簡諧震蕩，理論上通過相關(guān)操作可將空間分辨率提高至10納米以下。

這一實驗技術(shù)可擴展到冷原子系統(tǒng)的多體和關(guān)聯(lián)測量。審稿人認為，該工作“填補了此前缺失的精密測量原子位置的重要工具，有潛力對高頻運動的單個運動量子實現(xiàn)空間分辨”。(記者吳長鋒)