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

这些图像是使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移动和相互作用。然后，研究人员打开一个光晶格，将原子瞬间冻结在其运动轨迹上，并应用精细调谐的激光快速照亮悬浮的原子，在原子自然消散之前记录下它们的位置图像。

物理学家应用该技术使不同类型的原子云可视化，并首次捕捉到多个成像画面。研究人员直接观察了被称为“玻色子”的原子，它们通过一种量子现象聚集成束，形成波。他们还捕捉到被称为“费米子”的原子在自由空间中配对的过程——这是实现超导的关键机制。

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：“我们能够看到这些有趣的原子云中的单个原子，以及它们彼此之间的相互作用，这非常美妙。”

在同一期期刊中，另外两个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·克特勒领导的团队。克特勒小组展示了玻色子之间增强的对关联，而另一组由兹维莱因实验室前博士后塔里克·叶法赫领导的巴黎高等师范学院团队，则对一团非相互作用的费米子进行了成像。

兹维莱因及其同事的研究共同作者包括麻省理工学院研究生姚瑞霄、池成宰和王铭轩，以及麻省理工学院物理学助理教授理查德·弗莱彻。

原子云内部

单个原子的直径约为十分之一纳米，相当于一根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规则；正是它们的量子特性使原子难以理解。例如，我们无法同时精确知道一个原子的位置和它的运动速度。

科学家可以采用多种方法对单个原子进行成像，包括吸收成像，即激光照射到原子云上，将其阴影投射到相机屏幕上。

兹维莱因指出：“这些技术能让你看到原子云的整体形状和结构，但看不到单个原子本身。就像看到天空中的云，却看不到组成云的单个水分子。”

他和同事采用了一种截然不同的方法来直接成像自由空间中相互作用的原子。他们的技术被称为“原子分辨显微镜”，首先利用激光束形成的宽松势阱约束住一团原子。这个势阱将原子限制在一个可以自由相互作用的位置。然后，研究人员瞬间打开光晶格，将原子冻结在各自的位置上。接着，第二束激光照亮悬浮的原子，其发出的荧光揭示了它们的单个位置。

兹维莱因说：“最困难的部分是在不将原子从光晶格中激发出来的前提下收集它们发出的光。你可以想象，如果用喷火器对着这些原子，它们可不会乐意。因此，多年来我们学会了一些技巧来实现这一点。这是我们首次在原位进行：当原子强烈相互作用时，我们可以突然冻结它们的运动，并逐个观察它们。这正是这项技术比以往方法更强大的原因。”

成束与配对

该团队应用这种成像技术直接观察了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，而电子是一种费米子。原子可以是玻色子或费米子，这取决于它们的总自旋，而总自旋由其质子、中子和电子的总数是偶数还是奇数决定。一般来说，玻色子相互吸引，而费米子相互排斥。

兹维莱因及其同事首先对由钠原子组成的一团玻色子进行了成像。在低温下，一团玻色子会形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚态——一种所有玻色子共享同一量子状态的物质状态。麻省理工学院的克特勒是最早用钠原子产生玻色-爱因斯坦凝聚态的人之一，并因此分享了2001年诺贝尔物理学奖。

兹维莱因小组现在能够对云团内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，理论预测玻色子会“聚束”在一起，彼此靠近的概率增加。这种聚束现象是它们能够共享同一量子力学波的直接结果。这种波状特性首先由物理学家路易·德布罗意预言。“德布罗意波”假说部分引发了现代量子力学的开端。

兹维莱因说：“我们从这种波状性质中理解了更多关于世界的知识。但观察这些量子波状效应确实非常困难。然而，在我们的新显微镜中，我们可以直接可视化这种波。”

在他们的成像实验中，麻省理工学院的团队首次在原位观察到玻色子聚束在一起，因为它们共享一个量子化的、相关联的德布罗意波。该团队还对包含两种锂原子的一团原子进行了成像。每种原子都是费米子，天生排斥同类，但可以与其他特定类型的费米子强烈相互作用。在对原子云成像时，研究人员观察到，不同类型的费米子确实发生了相互作用，并形成了费米子对——这是他们首次直接观测到的耦合现象。

研究合著者理查德·弗莱彻表示：“这种配对是人们为解释实验而建立的数学构造的基础。但当你看到这样的图片时，它是在照片中展示一个在数学世界中被发现的对象。所以这是一个很好的提醒：物理学是关于物理实体的。它是真实的。”

展望未来，该团队将应用他们的成像技术来可视化更奇特且更少被理解的现象，例如“量子霍尔物理”——即相互作用的电子在磁场存在下表现出新颖的关联行为。

兹维莱因说：“那正是理论变得极其复杂的地方——人们开始画图，而不是能够写出完整的理论，因为他们无法完全解决它。现在我们可以验证这些量子霍尔态的示意图是否真实存在。因为它们是非常奇特的状态。”

这项工作得到了美国国家科学基金会通过麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心的部分支持，以及美国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·布什教师奖学金以及大卫与露西尔·帕卡德基金会的资助。