研究生勞倫斯Cheuk調整光學設置，用于激光冷卻鈉原子。

一支物理學家團隊建造了一種顯微鏡，能夠立即凍結和圖像1,000次辛辛基菌原子。

費粒是物質的構建塊，在多種排列中相互作用，以產生周期表的元素。沒有費米，物理世界就不存在。

離子晶片的實例是電子，質子，中子，夸克和由奇數這些基本粒子組成的原子。由于他們的Fermionic性質，從理論上難以理解的電子和核物質，因此研究人員正試圖將Fermionic原子的超級氣體用作其他費粒的豎立件。

但原子對光線非常敏感：當單個光子擊中原子時，它可以將粒子敲出到位 - 一種使成像疏近的Fermionic原子變硬的效果。

現在，一支麻省理工學院物理學家建造了一種顯微鏡，能夠看到最多1,000個近1,000個滲透性原子。研究人員設計了一種基于激光的技術來捕獲和凍結碼頭，并同時以顆粒圖像圖像。

新的成像技術使用在光學晶格中的云云上培訓的兩個激光束。兩個光束，每個不同的波長，冷卻云，導致近滲透的費米子下降到能量水平，最終將它們帶到其最低能量狀態 - 冷卻穩定，足夠穩定以保持到位。同時，每個FERMION釋放光，該光線被顯微鏡捕獲，并用于將FERMION在晶格中的精確位置圖像拍攝 - 比光的波長更好地進行精度。

通過新技術，研究人員能夠冷卻和圖像超過95％的Fermionic原子，構成鉀儲云。MIT的物理學教授Martin Zwierlein說，該技術的有趣結果似乎是它即使在成像之后也可以保持污垢。

“這意味著我知道他們在哪里，我可以用一個小鑷子向任何地方移動它們，并以任何我想要的模式安排它們，”Zwierlein說。

Zwierlein及其同事，包括第一作者和研究生勞倫斯順，今天在日志物理審查信中發表了他們的結果。

從玻色子中看到蛻皮

在過去的二十年中，實驗物理學家研究了兩類顆粒的超級原子氣體：離費米米和骨髓顆粒，例如光子，與費團不同，可以在無限數中占據相同的量子狀態。2009年，哈佛大學的物理學家馬克斯格勒設計了一種顯微鏡，可在緊密間隔的光學晶格中成功成熟肌肉。遵循這一里程碑，于2010年，由第二次玻色子顯微鏡，由Immanuel Bloch集團在Max Planck的量光學研究所開發。

這些顯微鏡以前所未有的細節揭示，玻色子在強烈的相互作用下的行為。然而，沒有人尚未開發一種用于Fermionic原子的可比較顯微鏡。

“我們想做這些群體為玻色子做的事情，但對于費米爾斯來說，”Zwierlein說?！八鼡f，費米瑪因更難，因為我們使用的原子并不容易被冷卻。所以我們不得不在看著他們時找到一種新的方式來冷卻它們。“

近幾十年來，已經設計了涼爽原子較近絕對零的技術。Carl Wieman，Eric Cornell和MIT的Wolfgang Ketterle能夠在1995年實現Bose-Einstein Constensation，這是一個里程碑，他們被授予2001年諾貝爾物理獎。其他技術包括使用激光器從300攝氏度從300攝氏度冷卻原子的過程到絕對零的程度的少數千分之一。

巧妙的冷卻技術

然而，為了看到透明的Fermionic原子，需要進一步冷卻顆粒。為此，Zwierlein的組使用激光束創建了一個光學格子，形成了類似雞蛋紙盒的結構，每個孔可能捕獲單個Fermion。通過各種激光冷卻，磁捕獲和進一步蒸發氣體冷卻的階段，在高于絕對零冷卻的溫度下制備原子，足以滲透以沉降到下面的光學晶格上。該團隊從成像鏡頭中放置了7微米的格子，他們希望看到窮人的費米。

然而，看到費米子需要閃耀著它們，導致光子基本上從其井中敲出冰淇淋原子，并且可能完全脫離系統。

“我們需要一個聰明的技術，以在看著它們的同時保持原子涼爽，”Zwierlein說。

他的團隊決定使用雙激光方法進一步冷卻原子;該技術操縱原子的特定能量水平或振動能量。每個原子占據某種能量狀態 - 狀態越高，顆粒的活性越多。該團隊在晶格中閃耀兩個不同頻率的激光束。頻率的差異對應于費米子的能量水平之間的能量。結果，當兩個光束被引導到度米焦時，顆粒將吸收較小的頻率，并從較大頻率的光束發射光子，否則將一個能級滴到冷卻器，更惰性狀態。晶格上方的鏡頭收集發射的光子，記錄其精確位置，以及FERMION的光子。

Zwierlein表示，同時增強了1000多個Fermionic原子的這種高分辨率成像將增強我們對自然界的其他費粒的行為的理解 - 特別是電子的行為。這本知識可以一天推進我們對高溫超導體的理解，使能源輸送能力，以及固態系統或核物質等量子系統。

“費米氣體顯微鏡以及將原子的能力一起朝向基于費米氏座來實現量子計算機的重要步驟，”Zwierlein說?！耙粋€人會利用迄今為止妨礙我們對電子系統的理解的相同復雜量子規則的力量。”

Zwierlein說，這是費米煤氣顯微鏡的好時機：在同一時他的團隊首次報告了其結果，來自格拉斯哥的哈佛大學團隊和格拉斯哥的斯特拉斯科爾德大學還報告了光學格子中的殺菌近在咫尺的成像，表明這種顯微鏡的未來未來。

Zoran Hadzibabic是Trinity College的物理學教授表示，該集團的顯微鏡能夠檢測到幾乎完美的忠誠的唯一原子?！?/p>

“他們可靠地檢測到它們，并在不影響他們的立場的情況下這樣做 - 這就是你所想要的，”Hadzibabic說，沒有貢獻這項研究?！暗侥壳盀橹?，他們證明了這項技術，但我們從玻色子的經驗中知道這是最艱難的一步，我希望科學的結果開始傾注?！?/p>

該研究部分由國家科學基金會，科學研究，海軍研究辦公室，軍隊研究辦公室和大衛和露狼基金會基金會提供資金。

出版物：Lawrence W. Cheuk，等，“Fermionic原子的量子氣體顯微鏡”。萊特牧師2015年5月13日114,193001; DOI：10.1103 / physrevlett.114.193001

圖像：荷西-路易斯·奧利瓦雷斯/麻省理工學院