Група академіка Гуо Гуангцана з Університету науки і технологій Китаю (USTC) Китайської академії наук домоглася значного прогресу в дослідженнях зображень надвисокої роздільної здатності холодних атомів в наносекундній шкалі часу. Команда домоглася надвисокої роздільної здатності зображення одиночного іона в системі іонної пастки. Результати були опубліковані в журналі Physical Review Letters.
Система холодного атома є ідеальною експериментальною платформою для вивчення квантової фізики, а також важливою фізичною системою для експериментальних досліджень у галузі квантового моделювання і квантових обчислень.
Одним з основних експериментальних методів у системі холодних атомів є отримання зображень окремих частинок з високою роздільною здатністю. За останні десять років технологія мікроскопічних зображень системи холодних атомів швидко розвивалася. Однак нещодавно розроблені технології все ще обмежені фундаментальною межею оптичної дифракції, і дозвіл може досягати порядку довжини хвилі оптичного випромінювання.
Важко вивчати квантові явища, пов'язані з деталями хвильової функції. Для вивчення таких проблем потрібна оптична візуалізація надвисокого вирішення.
Оптична візуалізація надвисокої роздільної здатності перетворилася на зрілий інструмент у галузі хімії та біології. Однак через складність експериментів з холодним атомом надзвичайно складно застосувати технологію візуалізації надвисокої роздільної здатності до систем з холодним атомом. До цього світ ще не домігся прогресу в прямому відображенні одиночних атомів (іонів) з надвисокою роздільною здатністю.
У цьому дослідженні вчені прийняли основну ідею мікроскопії виснаження стимульованої емісії (STED) в класичній галузі візуалізації надвисокої роздільної здатності і об'єднали її з технологією ініціалізації та зчитування квантового стану атома системи холодних атомів. Вони вперше здійснили візуалізацію одиночного холодного атома (іона) з надвисокою роздільною здатністю.
Експериментальні результати показали, що просторовий дозвіл методу візуалізації може перевищувати дифракційну межу більш ніж на порядок, а дозвіл візуалізації 175 нм може бути досягнуто при використанні об'єктива з числовою апертурою всього 0,1.
Щоб ще більше продемонструвати перевагу цього методу в тимчасовій роздільній здатності, дослідники досягли тимчасового дозволу в 50 нс і точності позиціонування окремого іона в 10 нм і використовували цей метод для чіткого захоплення швидких гармонійних коливань іона в пастці.
Теоретично, збільшуючи числову апертуру об'єктива зображення і коефіцієнт екстінкції в центрі збідненого світла (пляма у вигляді пончика), просторову роздільну здатність може бути додатково поліпшено до менше 10 нм.
Цей експериментальний метод можна поширити на багаточастичні і кореляційні вимірювання систем холодних атомів, і він добре сумісний з іншими системами холодних атомів. Його можна застосовувати до оптичних решіток, оптичних пінцетів з нейтральними атомами і гібридних систем з холодним атомом та іоном.
Дослідження було опубліковано в журналі Physical Review Letters.