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近日，中国科学技术大学郭光灿院士的研究团队展示了如何以超过衍射极限的分辨率和仅仅几十纳秒的时间尺度成像单个冷原子。他们的新显微镜系统将允许研究人员们在未来以极大的精度探测冷原子系统的空间和动力学特性。
冷原子，无论以气体、中性或带电粒子的形式存在，都很有希望成为量子技术(如计算、模拟和传感)的基础。但他们的开发依赖于获取原子传输、相关性和其他性质的直接信息，而这些信息反过来又依赖于能够检测和成像单个粒子。许多显微镜技术已经发展到这一步，但这些方法的分辨率受到限制，不能超过光学衍射极限。
与此同时，化学家和生物学家们使用一系列超分辨率显微镜技术来研究纳米尺度上的化学反应和其他过程。其中一种技术，被称为受激发射损耗(STED)显微镜，涉及使用两种不同的激光在一个非常小的区域从荧光团产生荧光。一种激光启动荧光，而另一种则在除了很小的中心区域之外的所有区域使荧光失效，这使得分辨率优于单独使用第一种激光。物理学家们也利用了这项技术来成像量子系统，比如固态材料或单离子中的自旋集合。更重要的是，已有研究人员开始用它来处理冷原子。然而，到目前为止，还没有人使用这种技术在低于衍射极限的分辨率下探测到单个冷原子。
在最新的工作中，郭光灿院士团队展示了如何通过将STED与量子态跃迁控制相结合来成像单个冷原子。他们的装置包括将镱171离子限制在一个射频陷阱中，并将其暴露在三束激光下。圆柱形的“初始”光束和“探测”光束通过周围真空室的侧窗进入陷阱(真空室也暴露在磁场中)。相反，环形的“耗尽”光束从上方进入，通过透镜聚焦到陷阱内的一个小点上。
成像过程分为三个步骤。首先，初始光束极化离子的核自旋，使粒子处于两种可能的自旋状态中的较低状态。接下来，耗尽光束将离子移动到自旋更高的状态，假设光束与离子接触。在最后一步中，如果离子处于较高的自旋状态，即亮态，探测光束中的光子会被离子散射，而较低的暗态则不会发生散射。 这一过程通过扫描耗尽光束的焦点，并在每个栅格点重复这三个步骤，来逐像素地建立离子环境的图像。只有当离子在耗尽光束内时，它才会保持暗态，而这就是离子被发现的信号。
该技术要求耗尽光束高度聚焦，环形和孔之间有很强的强度对比。为了满足这些条件并产生一个完美的暗中心耗尽点，研究人员利用了一种数字微镜装置的全息光束重塑方法。通过该方法他们实现了单个被困离子的超分辨率成像。研究人员们使用了一个数值孔径为0.1的透镜，实现了175nm的分辨率，研究人员表示，这这种方法比直接荧光成像至少好十倍。
郭光灿院士团队还研究了离子的动力学，他们将一个共振电信号施加到陷阱的一个电极上，然后关闭信号，然后等待一段时间，然后对其中一个像素成像。通过在给定的延迟下对所有像素执行这一过程，然后在不同的延迟下重复这一操作，研究人员能够重建离子的轨迹，快照仅相隔80纳秒，空间精度为10纳米。
研究人员表示，他们的方案也可以应用于中性粒子，比如被光镊捕获的单原子。更重要的是，通过生成任意形状的点阵列，并使用它们来成像冷原子阵列，应该可以探测不同原子之间的相关性(这需要更新陷阱，以便能够容纳多个离子)。 他们还认为，通过使用具有更高数值光圈的透镜，可以进一步提高这项技术的分辨率。研究人员们为捕获离子和冷中性原子分别制作了0.6和0.7的孔径，尽管现有的商用透镜没有这种孔径，可以弥补真空室中光窗带来的像差。如果研究人员能够获得这样的透镜，他们在原则上可以实现低于30nm的分辨率和小于2nm的位移精度，该位移精度比被捕获离子运动基态的波包的大小要小。
图：实验原理图和装置图
