使原子自我放大揭示它们的量子波函数

极冷原子已被推动自我放大其量子状态，以便以前所未有的细节进行成像。这可帮助研究人员更好地了解奇特材料中量子粒子的行为，如超导体和超流体。

成像原子的量子状态通常非常困难 – 也就是说，映射它们的波函数的形状，尤其是当这些原子密集堆积在固体材料中并相互作用时。为了深入了解这类材料的量子行为，研究人员转而研究极冷原子，这些原子的量子属性可以通过激光和电磁辐射进行控制，并且可以组装成密集排列的数组，模拟固体材料中原子的排列。

德国海德堡大学的Sandra Brandstetter及其同事现已设计出一种方法，将这些超冷原子的波函数放大50倍，以使其更容易成像。

他们从大约30个锂原子开始，温度只比绝对零度高几百万分之一。研究人员使用激光将这些原子约束到一个平面上，并控制它们的量子状态，有效地使它们困在由光构成的陷阱中。接下来，团队改变了这束光的属性，以刚好适当地放松这个陷阱，使原子的波函数变得更大，但在形状上不改变 – 有效地使波函数放大。Brandstetter表示，通过这种方式调整光线就像在显微镜中调整放大镜。

完成此步骤后，团队使用了成熟的原子检测方法来成像以前无法分析的波函数细节。Brandstetter表示：“如果我们在未放大的情况下成像系统，我们只会看到一个单个斑点，完全缺乏解析任何结构的能力。”

她和她的同事使用这种技术分析了几种原子排列。例如，他们成像了一对相互作用的原子，实质上形成一个分子 – 但由于放大，团队可以单独解决每个原子。新实验中最复杂的系统包括12个相互作用的原子，每个原子具有不同的量子自旋，这是决定材料磁性行为的属性。

英国杜伦大学的Jonathan Mortlock表示，尽管以前已经测试过类似的放大技术，但新的实验是首次使用这种方法来准确找出阵列内个别原子的量子行为。此前无法获得如此详细的信息。

现在，团队希望使用这种技术来分析两个名为费米子的量子粒子何时配对形成可以无黏度流动或以完美效率导电的流体时会发生什么。这种物质状态可能对构建更好的电子设备有用，但要实现这一目标，研究人员需要对费米子何时配对以及在配对发生后它们的量子状态发生了什么有更深入的了解。Brandstetter表示，通过这种新技术，研究人员可以创建一对超冷费米子原子，然后成像其放大的波函数以了解其中发生了什么。