新型量子气体显微镜

汉堡大学激光物理研究所的研究人员发明了一种量子气体显微镜的新技术，能够观测三维量子系统。此篇文章发表于Nature，这一方法将打开新的研究局面。

研究人员一般通过量子模拟实验来进行研究，即通过研究一个实验室中的受控量子系统，来解释另一个受控程度小的量子系统的行为。比如说，有人通过被束缚于激光驻波中的超冷原子，来模拟固态材料中的电子物理，以解释其量子相。除了系统的可控准备之外，成像同样至关重要。例如，量子气体显微镜能够检测到量子系统中所有粒子，因此可用任意的相关函数来表征量子态。这种技术是基于通常间隔半微米的点阵位置的光学分辨率，此前仅限于二维系统的景深。

图1 蜂窝晶格中超冷原子的示意图，其中单个晶格位可用量子显微镜观察

如今，这一问题被汉堡大学Christof Weitenberg博士和Klaus Sengstock教授所领导的研究团队成功克服，同时实现了对三维系统的分辨成像。两位研究人员均隶属于“CUI：物质先进成像”卓越集群。为了实现这一目的，科学家们使用了所谓的物质波光学，即把超冷原子自身的密度分布放大90倍。经过放大之后，可实现对原子的光学成像，不再受衍射或景深的限制。物质波光学基于一个被调制为四分之一周期谐振阱透镜，以及后续原子的自由膨胀。这两个过程导致了真实空间和动量空间之间的转换，二者结合最终形成了放大的图像。

研究人员利用新技术研究了超冷铷原子在光学晶格中的玻色-爱因斯坦凝聚。通过这种方法，他们可以对玻色-爱因斯坦凝聚态的相变进行非常精确的测量。下一步，研究人员希望能对这一新的显微镜技术进一步发展，以实现在每个晶格点只有几个原子的情况下，单独检测所有原子。此外，对物质波光学进行变型，将不仅可以实现密度的测量，还可实现系统的相干性的测量。Luca Asteria及其同事共同研发了此项技术，他解释道：“借助这项显微镜技术，我们将可以对一个以往无法触及的全新领域进行探索。

文章见：Luca Asteria et al, Quantum gas magnifier for sub-lattice-resolved imaging of 3D quantum systems, Nature (2021). DOI: 10.1038/s41586-021-04011-2。