Physicists snap the first images of 'free-range' atoms

这些图像是采用该团队开发的一种技术拍摄的，该技术首先允许一团原子自由运动和相互作用。随后，研究人员开启光格栅，将原子瞬间冻结在原位，并施加精细调谐的激光迅速照亮悬浮的原子，在原子自然消散前捕捉其位置图像。

物理学家应用该技术对不同类型原子云进行可视化成像，并实现了多项成像首创。研究人员直接观测到被称为"玻色子"的原子，它们在量子现象中聚集成波。他们还捕捉到被称为"费米子"的原子在自由空间中成对的行为——这是实现超导性的关键机制。

"我们能够看到这些有趣的原子云中的单个原子，以及它们之间的相互作用，这非常美妙，"麻省理工学院托马斯·A·弗兰克物理学教授马丁·兹维莱因表示。

在同一期期刊中，另外两个研究小组报告了使用类似的成像技术，其中包括由麻省理工学院约翰·D·麦克阿瑟物理学教授、诺贝尔奖得主沃尔夫冈·凯特勒领导的团队。凯特勒小组观测到了玻色子之间增强的成对关联，而另一个由兹维莱因实验室前博士后塔里克·耶夫萨领导的巴黎高等师范学院团队，则对一团无相互作用的费米子进行了成像。

兹维莱因及其同事的这项研究由麻省理工学院研究生姚瑞潇、池成宰和王明轩，以及麻省理工学院物理学助理教授理查德·弗莱彻共同署名发表。

原子云内部

单个原子直径约十分之一纳米，相当于人类头发丝厚度的百万分之一。与头发不同，原子的行为和相互作用遵循量子力学法则；正是其量子特性使得原子难以理解。例如，我们无法同时精确知道原子的位置和移动速度。

科学家可采用多种方法对单个原子成像，包括吸收成像——将激光照射到原子云上，将其阴影投射到相机屏幕上。

"这些技术能让你看到原子云的整体形状和结构，但看不清单个原子本身，"兹维莱因指出。"就像看到天空中的云，但看不清构成云的单个水分子。"

他和同事采用了截然不同的方法来直接对自由空间中相互作用的原子进行成像。他们的技术称为"原子分辨显微术"，首先利用激光束形成的宽松陷阱约束原子云，使原子在可自由相互作用的固定区域内聚集。随后研究人员开启光格栅，将原子冻结在当前位置。接着第二束激光照亮悬浮原子，其荧光显现出各自的精确位置。

"最困难的部分是在不将原子蒸发出光学格栅的情况下收集原子发出的光，"兹维莱因说。"想象一下，如果用喷火器对准这些原子，它们肯定无法承受。历经多年我们掌握了一些技巧，这是首次实现原位成像——在原子强相互作用时瞬间冻结其运动，逐一观测它们。这使本技术比以往方法更为强大。"

聚团与配对

该团队应用成像技术直接观测了玻色子和费米子间的相互作用。光子是玻色子的典型代表，而电子属于费米子。原子根据其总自旋可以是玻色子或费米子，这取决于其质子、中子和电子总数是偶数还是奇数。一般而言，玻色子相互吸引，而费米子相互排斥。

兹维莱因团队首先对由钠原子组成的玻色子云成像。低温下，玻色子云会形成玻色-爱因斯坦凝聚态——所有玻色子共享同一量子态的物态。麻省理工学院的凯特勒是最早实现钠原子玻色-爱因斯坦凝聚态的研究者之一，并因此分享了2001年诺贝尔物理学奖。

兹维莱因小组现能对云团内的单个钠原子成像，观测其量子相互作用。早有理论预测玻色子会"聚团"，即彼此靠近的概率增大。这种聚团是其共享同一量子力学波的直接结果。这种波动特性由物理学家路易·德布罗意首次预言，正是"德布罗意波"假说部分引发了现代量子力学的开端。

"从这种波动特性中，我们对世界的理解深化了许多，"兹维莱因说。"但观测这些量子波动效应非常困难。而在我们的新显微镜中，可以直接可视化这种波。"

在成像实验中，麻省理工团队首次原位观测到玻色子通过共享同一量子关联的德布罗意波而聚集成团。该团队还对两种锂原子组成的云团成像。每种原子都是费米子，天然排斥同种原子，但可与特定类型的其他费米子强相互作用。成像时研究人员观察到，不同类型费米子确实发生相互作用并形成费米子对——这是首次直接观测到的耦合现象。

"这种配对是解释实验现象的数学构想基础。但当你看到这样的图像时，照片呈现的正是数学世界中发现的实体，"研究合著者理查德·弗莱彻表示。"这很好地提醒我们：物理学研究的是物理实体。它是真实存在的。"

未来该团队将应用成像技术可视化更奇特、更少被理解的现象，例如"量子霍尔物理"——即电子在磁场作用下相互作用时表现出的新型关联行为。

"这正是理论变得极其复杂的领域——人们开始绘制示意图，因为无法完全求解问题而难以建立完整理论，"兹维莱因说。"现在我们可以验证这些量子霍尔态的示意图是否真实存在。因为它们确实是相当奇特的状态。"

这项工作得到了美国国家科学基金会通过麻省理工-哈佛超冷原子中心、空军科学研究办公室、陆军研究办公室、能源部、国防高级研究计划局、范内瓦·布什教职奖学金以及戴维与露西尔·帕卡德基金会的部分支持。