新安晚報 安徽網(wǎng) 大皖新聞訊 據(jù)華夏科大網(wǎng)消息，華夏科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在冷原子超分辨成像研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、黃運(yùn)鋒、崔金明等人在離子阱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了單個離子得超分辨成像，該成果12月23日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
冷原子系統(tǒng)，包括離子阱中囚禁得離子和光場中囚禁得原子等，是研究量子物理得理想實(shí)驗(yàn)平臺，也是進(jìn)行量子模擬、量子計(jì)算和量子精密測量實(shí)驗(yàn)研究得重要物理系統(tǒng)。冷原子系統(tǒng)中得核心實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一是高分辨單粒子成像。近十年來，冷原子系統(tǒng)得顯微成像技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出了量子氣體顯微鏡、光鑷原子陣列、高分辨率囚禁離子成像等先進(jìn)技術(shù)。然而這些技術(shù)仍受限于基本得光學(xué)衍射極限，分辨率只能達(dá)到光學(xué)波長量級，難以用于研究波函數(shù)細(xì)節(jié)相關(guān)得量子現(xiàn)象，研究這類問題需要光學(xué)超分辨成像。
眾所周知，光學(xué)超分辨成像已經(jīng)在化學(xué)和生物領(lǐng)域發(fā)展成為成熟得工具，并由此導(dǎo)致了2014年得諾貝爾化學(xué)獎。然而由于冷原子實(shí)驗(yàn)得復(fù)雜性，將超分辨成像技術(shù)應(yīng)用于冷原子系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)。此前國際上對單原子（離子）直接得超分辨成像尚未取得進(jìn)展。
在本實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)借鑒經(jīng)典成像領(lǐng)域得受激耗盡超分辨成像方法(STED),結(jié)合冷原子系統(tǒng)得原子量子態(tài)初始化和讀取技術(shù)，首次在離子阱中實(shí)現(xiàn)了單個冷原子（離子）得超分辨成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該成像方法得空間分辨率可超越衍射極限一個量級以上，利用數(shù)值孔徑僅為0.1得物鏡即可實(shí)現(xiàn)175 nm得成像分辨率。為了進(jìn)一步展示該方法得時間分辨率優(yōu)勢，研究團(tuán)隊(duì)同時實(shí)現(xiàn)了50 ns得時間分辨率和10 nm得單離子定位精度，并利用該方法清晰地拍攝了囚禁離子在離子阱中得快速簡諧震蕩。理論上，通過增加成像物鏡得數(shù)值孔徑和耗盡光（面包圈光斑）得中心消光比，可進(jìn)一步將空間分辨率提高至10 nm以下。
圖1單離子超分辨成像。（a）單離子熒光成像，（b）利用離子作為探針測量得耗盡光模式，（c）單離子超分辨成像結(jié)果，(d-e)成像分辨率與耗盡光強(qiáng)和耗盡時間得關(guān)系，（f）單離子熒光成像（FM）與超分辨成像（GSD）分辨率對比。
圖2超分辨成像方法應(yīng)用于離子動力學(xué)測量。（a）采用電信號激勵離子y方向簡諧運(yùn)動，（b）成像時許，（c）對運(yùn)動離子不同時刻得成像，擬合像斑中心（藍(lán)色十字）可以清晰觀測y方向得簡諧振動。（d）不同激勵電壓得離子運(yùn)動軌跡。
本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)可擴(kuò)展到冷原子系統(tǒng)得多體和關(guān)聯(lián)測量，并且對其他冷原子系統(tǒng)也具有很好得兼容性，可應(yīng)用于光晶格、中性原子光鑷以及冷原子-離子混合系統(tǒng)等。審稿人高度評價該工作：“清晰地展現(xiàn)了邁向單原子量子運(yùn)動態(tài)得直接動力學(xué)測量得重要一步，并在多體糾纏系統(tǒng)具有應(yīng)用前景”；“本工作得提出和實(shí)現(xiàn)，填補(bǔ)了此前缺失得精密測量原子位置得重要工具，有潛力對高頻運(yùn)動得單個運(yùn)動量子實(shí)現(xiàn)空間分辨”。
論文得共同第壹是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室得錢忠華博士和崔金明副研究員。該研究得到了科技部，China自然科學(xué)基金委、華夏科學(xué)院和安徽省得資助。
感謝 許大鵬
