一部分實驗裝置

由Francesca Ferlaino領導的研究小組首次用光學鑷子捕獲了單個鉺原子，為原子物理學樹立了新的里程碑。鉺的復雜電子結構開辟了新的自由度和可能性，這一進展為量子科學的一系列創(chuàng)新實驗打開了大門。這項研究發(fā)表在《物理評論快報》上。

這項成果為研究具有多個價電子的元素提供了一種開創(chuàng)性的方法——這一領域以前主要由具有一個或兩個價電子的簡單原子主導。擁有 14 個價電子的鉺引入了新的自由度，為量子實驗帶來了令人興奮的機會，使人們能夠探索以前未知的原子行為。

實驗的聯(lián)合導師Manfred Mark解釋說：“這些原子的復雜性使我們能夠探索粒子間更細微的相互作用，為開發(fā)新實驗提供了一個具有驚人潛力的量子樂園?！?/p>

復雜的原子控制和新型成像技術

除了捕獲鉺原子，研究團隊還開發(fā)了利用鉺的不同內(nèi)部狀態(tài)的成像方法。通過誘導不同波長的熒光，他們實現(xiàn)了兩種獨特的成像技術：一種是用于超快、種群分辨成像的藍色光譜--這在鑷子物理學中是一種新技術;另一種是用于幾乎無損觀察的黃色光譜。

這樣，研究人員就可以在不干擾原子量子態(tài)的情況下密切監(jiān)測原子的行為，而且速度也足夠慢，可以對系統(tǒng)進行連續(xù)探測。這些新的成像方法為這些量子系統(tǒng)的研究帶來了前所未有的多功能性，該研究的第一作者之一Daniel Schneider Grün說?！拔覀儸F(xiàn)在可以用以前不可能的方式觀察這些復雜的原子?！?/p>

用復雜原子挑戰(zhàn)量子極限

雖然鉺原子已經(jīng)在光學晶格中進行過研究，但這項研究引入了一種使用光學鑷子的新方法。光鑷利用緊密聚焦的激光束，聚焦光的大小相當于人類紅血球大小的一小部分。Grün 解釋說：“與光學晶格不同，鑷子可以更自由地將原子排列成可定制的幾何形狀，并實現(xiàn)粒子的實時重新配置。”

該研究團隊以其在操縱鉺和鏑等稀土元素方面的專業(yè)知識而聞名，曾取得過鉺的玻色-愛因斯坦凝聚等突破性成果。近年來，他們與經(jīng)驗豐富的理論家建立了合作網(wǎng)絡，對這些復雜原子的特性(包括在此裝置中起關鍵作用的里德伯態(tài))有了最前沿的深入了解。

開啟新的量子相互作用

研究人員的下一步工作包括通過里德伯激發(fā)誘導鉺原子之間的相互作用，這一過程利用了 14 個價電子中的一個，而其他電子則充當量子探針或寄存器。

這種增強的復雜性為量子科學激動人心的新篇章鋪平了道路，在量子科學中，具有多電子構型的復雜原子可以被精確地操縱、研究，并以變革性的方式加以利用。Ferlaino 說：“這是真正的未知領域。”

審核編輯 黃宇