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JILA团队发明了看到量子世界的新方法
发布时间：2024-08-06 17:53:33来源：
JILA科学家发明了一种新的成像技术，可以近乎即时的视觉艺术形式快速，精确地测量原子钟中的量子行为。
该技术结合了光谱学，通过高分辨率显微镜从光和物质之间的相互作用中提取信息。
如物理评论快报中所述，JILA方法在三维锶晶格原子钟中制作原子间能量的空间映射，提供有关每个原子的位置和能级或量子态的信息。
该技术可快速测量对原子钟重要的物理效应，从而提高时钟精度，并可为磁性和超导等现象的研究添加新的原子级细节。将来，该方法可以让科学家最终看到新的物理学，如量子物理学与引力之间的联系。
JILA由标准与技术研究院(NIST)和科罗拉多大学博尔德分校共同运营。
“这种技术让我们用激光和原子写出一段美丽的'音乐'，然后将其映射到一个结构中并像石头一样冻结，这样我们就可以看到听到不同激光音调的单个原子，阅读直接作为形象，“JILA / NIST研究员Jun Ye说。
原子位于所谓的量子简并气体中，其中大量原子相互作用。这种“量子多体”现象正在将测量精度扩展到新的极端。
为了准备原子进行美容拍摄，研究人员使用激光脉冲将大约10,000个锶原子从低能基态驱动到高能量激发态。然后，位于晶格下方的蓝色激光通过原子垂直向上照射，相机拍摄原子投射的阴影，这是它们吸收多少光的函数。基态原子吸收更多光。
得到的图像是基态(蓝色)和激发态(红色)的原子的假色表示。白色区域代表大约50%红色和50%蓝色的精细混合物中的原子，产生斑驳的效果。之所以发生这种情况，是因为这些原子最初是以叠加的量子态，或者同时是地面和激发态制备的，并且成像测量会促使塌陷成两种状态之一，从而在图像中产生“噪声”。
作为演示，JILA团队创建了一系列图像，以映射晶格不同区域的小频移或激发态原子的分数。同时进行比较的能力提高了测量一组原子的精度和速度。研究人员报告称，在6小时内测量频率为2.5 x 10 -19(误差仅为0.25亿分之一亿)的记录精度达到了创纪录的水平。成像光谱有望大大提高JILA原子钟和其他原子钟的精度。
成像光谱提供有关原子局部环境的信息，类似于扫描隧道显微镜提供的令人难以置信的分辨率。到目前为止，该方法已被用于生成二维图像，但它可以制作基于逐层测量的三维图像，就像断层扫描一样，它结合了固体物体的多个横截面，Ye说。
一种人造晶体，原子晶格也可以用作磁性或重力传感器来测试不同物理领域之间的相互作用。你对未来使用时钟中的原子作为重力传感器的可能性感到非常兴奋，看看在非常小的空间尺度上运作的量子力学如何与广义相对论，引力理论，宏观力量相互作用。
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