科技日報記者 張佳欣

美國麻省理工學(xué)院的物理學(xué)家首次捕捉到單個原子在現(xiàn)實(shí)空間中自由相互作用的圖像，揭示了“自由運(yùn)動”粒子之間的關(guān)聯(lián)。這種關(guān)聯(lián)此前僅為預(yù)測，卻從未被直接觀察到。該研究成果5日發(fā)表于《物理評論快報》期刊，有助于科學(xué)家將真實(shí)空間中未曾被看見過的量子現(xiàn)象可視化。

單個原子的直徑約為十分之一納米，數(shù)百萬個原子才能排滿一根人類發(fā)絲的寬度。與發(fā)絲不同的是，原子的行為和相互作用遵循量子力學(xué)規(guī)律，正是這種量子特性使得原子難以理解。例如，人們無法同時精確知道一個原子的位置和運(yùn)動速度。這種不確定性長期以來一直阻礙著科學(xué)家拍攝運(yùn)動中的原子，尤其是在它們相互作用時。

為攻克這一難題，團(tuán)隊創(chuàng)新性地開發(fā)了“原子分辨顯微術(shù)”。首先，他們讓一團(tuán)原子在激光束形成的松散陷阱中相互作用；然后，他們突然打開一個光學(xué)晶格，有效地將原子凍結(jié)在原地；接著，用第二束激光照亮這些懸浮的原子，顯示它們的單個位置，而時間剛好足夠拍攝一張快照。團(tuán)隊將成像技術(shù)應(yīng)用于直接觀測玻色子和費(fèi)米子之間的量子相互作用。玻色子（如光子）之間傾向于相互吸引；而費(fèi)米子（如電子）之間則相互排斥。這種差異在新技術(shù)拍攝的圖像中清晰可見。

在低溫環(huán)境下，研究團(tuán)隊觀察到傾向于相互吸引的玻色子在一團(tuán)鈉原子云中聚集在一起，形成了玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)。在這種狀態(tài)下，所有粒子共享同一量子態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)證實(shí)了一個長期預(yù)測，即玻色子聚集現(xiàn)象是它們能夠共享同一量子波的直接結(jié)果。

團(tuán)隊還對由兩種鋰原子組成的云團(tuán)進(jìn)行了成像，他們拍攝到了這些相反自旋的費(fèi)米子成對出現(xiàn)的現(xiàn)象，揭示了超導(dǎo)背后的關(guān)鍵機(jī)制。

團(tuán)隊表示，以單原子分辨率對連續(xù)介質(zhì)中的量子氣體進(jìn)行成像，不僅是一項技術(shù)突破，也是一種解碼物質(zhì)最復(fù)雜相態(tài)的新“語言”。這項研究有助于設(shè)計未來的量子設(shè)備，包括傳感器、模擬器和計算機(jī)。