摘要：物理学家捕获了在太空中自由相互作用的单个原子的第一批图像。这些图片揭示了“自由放大”粒子之间的相关性，这些粒子到目前为止被预测但从未直接观察到。...
麻省理工学院物理学家捕获了在太空中自由相互作用的单个原子的第一批图像。这些图片揭示了“自由放大”粒子之间的相关性，这些粒子到目前为止被预测但从未直接观察到。他们的发现，出现在日记中物理评论信，将帮助科学家在实际空间中可视化从未见过的量子现象。
使用团队开发的技术拍摄图像，该技术首先允许原子云自由移动和交互。然后，研究人员打开光线的晶格，将原子短暂冻结，并应用精心调整的激光器快速照亮悬浮原子，从而在原子自然消散之前就其位置形成图片。
物理学家应用了该技术来可视化不同类型原子的云，并捕捉了许多成像第一。研究人员直接观察到称为“玻色子”的原子，该原子以量子现象形成波浪。他们还捕获了在自由空间中配对的行为中被称为“费米子”的原子 - 一种可以实现超导性的关键机制。
麻省理工学院的托马斯·A·弗兰克（Thomas A. Frank）物理学教授马丁·兹维尔林（Martin Zwierlein）说：“我们能够在这些有趣的原子云中看到单个原子，以及它们相互影响的事物，这是美丽的。”
在同一期刊上，另外两个小组使用类似的成像技术进行了报告，其中包括由诺贝尔奖获得者沃尔夫冈·凯特尔（Wolfgang Ketterle）领导的团队，麻省理工学院的约翰·D·麦克阿瑟（John D. MacArthur）物理学教授。凯特尔（Ketterle）的小组可视化了玻色子之间的增强式相关性，而另一组，来自巴黎的埃科尔·诺米勒·苏普里尔（écolenormalesupérieure），由兹维尔林（Zwierlein）实验室的前博士后塔里克·耶夫萨（Tarik Yefsah）领导，它成像了一群非互动的费米子。
Zwierlein及其同事的研究由MIT研究生Ruixiao Yao，Sungjae Chi和Mingxuan Wang和MIT物理学理查德·弗莱彻（Richard Fletcher）合着。
在云中
一个原子约占直径的十分之一，这是人毛的厚度的一百万。与头发不同，原子根据量子力学规则行为和相互作用。正是他们的量子性质使原子难以理解。例如，我们不能同时确切地知道原子在哪里以及它的移动速度。
科学家可以将各种方法应用于图像单个原子，包括吸收成像，在该原子上激光照射到原子云上，并将其阴影投放到相机屏幕上。
Zwierlein指出：“这些技术使您可以看到原子云的整体形状和结构，但不能看到单个原子本身的整体形状和结构。” “这就像看到天空中的云，而不是构成云层的单个水分子。”
他和他的同事采取了一种非常不同的方法，以直接在自由空间中相互作用的原子。他们的技术称为“原子分辨显微镜”，涉及首先在由激光束形成的松散陷阱中折叠原子云。该陷阱包含可以自由相互作用的地方的原子。然后，研究人员在光线晶格上闪烁，从而将原子冻结在其位置。然后，第二激光照亮了悬浮原子，其荧光揭示了它们的各个位置。
Zwierlein说：“最困难的部分是从原子中收集光，而不将它们从光学晶格中煮沸。” “您可以想象，如果您将这些原子的喷火器带到了这些原子上，它们就不会那样。因此，多年来，我们已经学会了一些技巧。这是我们第一次在原住民的情况下进行，我们可以突然冻结原子的动作时，当它们强烈互动时，它们会与其他人相比，这使他们更加强大。
束和成对
该团队应用了成像技术直接观察玻色子和费米子之间的相互作用。光子是玻色子的一个例子，而电子是一种效率。原子可以是玻色子或费米子，具体取决于它们的总自旋，这取决于其质子，中子和电子的总数是否甚至是奇数。一般而言，玻色子吸引了，而费米子则排斥。
Zwierlein和他的同事首先成像了由钠原子组成的一团玻色子。在低温下，玻色子云形成所谓的玻凝结物 - 所有玻色子共享一个和相同的量子状态的物质。麻省理工学院的凯特尔（Ketterle）是最早生产钠原子的bose-Einstein冷凝物的人之一，他为其分享了2001年诺贝尔物理学奖。
现在，Zwierlein的组能够对云中的单个钠原子进行成像，以观察它们的量子相互作用。长期以来，人们一直预测玻色子应该“束”在一起，彼此接近的可能性增加。这束是他们共享一个和相同量子机械波的能力的直接结果。这种波浪状特征首先是由物理学家路易斯·德·布罗格利（Louis de Broglie）预测的。这是“ de broglie wave”假设，部分引发了现代量子力学的开始。
Zwierlein说：“我们从这种浪潮般的本质中对世界有了更多的了解。” “但是观察这些量子，类似波浪状的效果真的很困难。但是，在我们的新显微镜中，我们可以直接可视化这一波浪。”
在他们的成像实验中，麻省理工学院团队能够在原地首次看到玻色子，因为他们共享一个量子，相关的de broglie浪潮。该团队还成像了两种类型的锂原子的云。每种类型的原子都是一种费米，它自然会排斥自己的种类，但可以与其他特定的费米昂类型强烈互动。当他们对云成像时，研究人员观察到，相反的效费类型确实相互作用，并形成了费米昂对，这是他们第一次可以直接看到的耦合。
研究合着者理查德·弗莱彻（Richard Fletcher）说：“这种配对是数学结构的基础，人们想出了解释实验的基础。但是，当您看到这样的图片时，它在照片中显示出来，这是在数学世界中发现的对象。” “因此，这是一个很好的提醒，物理学是关于物理事物的。这是真实的。”
展望未来，团队将应用他们的成像技术来可视化更多异国情调和知识较少的现象，例如“量子霍尔物理学” - 相互作用电子在存在磁场的情况下显示出新颖的相关行为。
Zwierlein说：“这就是理论真正的毛茸茸的地方 - 人们开始绘制图片而不是能够写下成熟理论，因为他们无法完全解决它。” “现在，我们可以验证这些量子大厅国家的漫画是否真的是真实的。因为它们是非常奇怪的州。”
这项工作部分得到了国家科学基金会通过MIT-Harvard Ultrocold Atoms中心以及空军科学研究办公室，陆军研究办公室，能源部，国防高级项目研究局，Vannevar Bush Bush教师奖学金以及David和Lucile Packard Foundation的支持。
