从未见过的原子互动图像

探索“云”的内部结构

一个原子的直径大约为0.1纳米，相当于人类头发宽度的百万分之一。不同于宏观物体，原子的行为遵循量子力学的规律，这使得它们难以观测。例如，我们无法同时精确测定一个原子的位置和它的运动速度。

科学家可以用多种方式对原子进行成像，比如吸收成像法：激光照射原子云，然后捕捉其在屏幕上的阴影。虽然这些技术可以描绘出原子云的整体形状和结构，却无法解析单个原子本身。这就仿佛只能看到天上的云，却无法看到组成云的水分子。

为了实现对单个原子的直接观测，一项新发表于《物理评论快报》的研究中，研究团队采用了一种完全不同的方法，首次拍摄到原子在自由空间中相互作用的图像。这些图像揭示了“自由活动”粒子之间的量子相关性——此前这类关联仅被理论预测，从未被直接观测。这一结果有望帮助科学家在现实空间中直观可视地研究前所未见的量子现象。

全新的成像技术

研究团队开发的的新技术叫“原子分辨显微术”。他们首先使用激光构建一个松散的光学阱，使原子能够在其中自由移动并发生相互作用。随后，研究人员开启一个由相互交叉的激光束形成的光学晶格，将原子在某一瞬间的空间分布定格在晶格中。接着，通过使用精密调控的激光束来照射这些悬浮的原子，它们会发出荧光。这些荧光可以被捕捉，从而在它们自然耗散前记录下它们的位置图像。

研究人员表示，在这个过程中，最难的部分是原子在光学晶格中耗散之前，收集它们发出的微弱光信号。他们经过了多年才掌握到合适的技巧，首次得以在原子剧烈相互作用时“按下暂停键”，逐一观测它们的状态。

一簇一簇地聚集

研究团队将这项成像技术应用于观察两类量子粒子——玻色子（如光子）与费米子（如电子）。

通常，玻色子趋向于聚集，而费米子则彼此排斥。原子既可以是玻色子，也可以是费米子，具体属于哪一类取决于其总自旋是整数还是半整数，而总自旋又取决于其内部的质子、中子、电子的总数是奇或是偶。

研究团队首先对由钠原子构成的玻色子云进行成像。在极低温下，玻色子云会形成一种名为玻色-爱因斯坦凝聚（BEC）的奇异物态。在这种状态下，所有的玻色子都处于相同的量子态。物理学家早就预测，玻色子会“群聚”，即它们更倾向于靠近彼此。这种群聚现象来自于玻色子可以共享一个量子波函数。这种波动性最早是由物理学家德布罗意（Louis de Broglie）预言的。

上方两幅示意图展示了原子如何在原子阱（红色）中自由运动，并通过施加光学晶格被瞬间“冻结”在原位，随后借助拉曼边带冷却技术实现成像。下方三张显微图像从左至右依次为：玻色子钠-23原子形成玻色-爱因斯坦凝聚；弱相互作用下的锂-6费米子混合物中的单自旋态；以及强相互作用的费米子混合物中两个自旋态的成像，清晰揭示了原子配对的形成过程。（图/Yao et al. via MIT News）

在成像实验中，研究人员首次原位观察到玻色子由于共享一个量子相关的德布罗意波而群聚在一起的现象。

此外，研究人员还对由两种类型的锂原子组成的费米子云进行了成像。作为费米子，这些原子通常会排斥同类，因此很难形成成对状态；但它们可以与另一类型的费米子发生强相互作用。

在成像实验中，研究人员首次直接观察到，这两种不同类型的费米子确实会相互吸引并形成费米子对。这种配对机制是理解超导现象的重要基础，以往只是理论预测，如今首次通过成像被实验证实。

走向更深奥的量子世界

值得一提的是，在同一期的《物理评论快报》中，还刊登了另外两个研究小组的研究成果。他们也采用了类似的成像技术，展示了玻色子之间增强的相关性，以及成像了一团不发生相互作用的费米子原子云。

研究团队表示，未来，他们计划利用该技术研究更奇异的量子现象，比如“量子霍尔物理”——即在磁场作用下，电子间相互作用引发的奇特相关行为。

这三项研究仅仅是个开始。未来物理学家还可以使用这项技术研究那些传统方法难以观测的复杂量子行为。值得注意的是，这三项研究所涉及的原子数量相对较少，从几十到几百不等。通过观察在不同原子数量下系统的行为，研究人员有望回答一个非常有趣的问题：到底需要多少粒子，才能再现宏观系统的行为？

#参考来源：

https://news.mit.edu/2025/mit-physicists-snap-first-images-free-range-atoms-0505

https://physics.aps.org/articles/v18/89

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.183403

#图片来源：

封面图&首图：Sampson Wilcox via MIT News