圆柱形烘箱和铒原子冷却装置的一部分实验装置。来自青色激光器的光用于捕获颗粒。图片来源：IQOQI/Universität Innsbruck
由 Francesca Ferlaino 领导的团队首次将单个铒原子捕获在光镊中，从而在原子物理学领域树立了一个新的里程碑。利用铒的复杂电子结构，开辟了新的自由度和可能性，这一进步为量子科学中的一系列创新实验打开了大门。该研究发表在《物理评论快报》上。
这一成就为研究具有多个价电子的元素提供了一种开创性的方法，而这个领域以前由具有一个或两个价电子的简单原子主导。铒拥有 14 个价电子，引入了新的自由度，并为量子实验提供了令人兴奋的机会，使探索以前未知的原子行为成为可能。
“这些原子的复杂性使我们能够探索粒子之间更细微的相互作用，为开发新实验提供了一个具有巨大潜力的量子游乐场，”实验的联合主管 Manfred Mark 解释说。
复杂的原子控制和新颖的成像技术除了捕获铒原子外，研究团队还开发了利用铒不同内部状态的成像方法。通过诱导不同波长的荧光，他们实现了两种独特的成像技术：一种是蓝色光谱，用于超快速、群体分辨成像，这是镊子物理学中的新奇事物，另一种是黄色，用于几乎无损的观察。
这使研究人员能够在不干扰其量子态的情况下密切监测原子的行为，并且速度也足够慢，可以连续探测系统。“这些新的成像方法为这些量子系统的研究带来了前所未有的多功能性，”该研究的第一批作者之一 Daniel Schneider Grün 说。“我们现在可以用以前不可能的方式观察这些复杂的原子。”
用复杂原子突破量子极限虽然已经在光晶格中研究了铒原子，但这项研究引入了一种使用光镊的新方法。光镊利用紧密聚焦的激光束，其中聚焦光的大小相当于人类红细胞大小的一小部分。“与光晶格不同，镊子可以更自由地将原子排列成可定制的几何形状，并实现粒子的实时重新配置，”Grün 解释说。
该研究团队以其操纵铒和镝等稀土元素的专业知识而闻名，此前已经取得了铒的玻色-爱因斯坦凝聚等突破。凭借近年来与经验丰富的理论家建立的合作网络，他们受益于对这些复杂原子特性的前沿见解，包括里德堡态，这在这种设置中起着关键作用。
解锁新的量子相互作用研究人员的下一步包括通过里德伯激发诱导铒原子之间的相互作用，这一过程利用 14 个价电子中的一个，而其他价电子则用作量子探针或寄存器。
这种增强的复杂性为量子科学激动人心的新篇章铺平了道路，其中具有多电子构型的复杂原子可以以变革性的方式被精确操纵、研究和利用。“这确实是 Terra Incognita，”Ferlaino 说。
更多信息：D. S. Grün 等人，铒原子的光镊阵列，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.223402.在 arXiv 上：DOI： 10.48550/arxiv.2406.16146
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
