使原子自我放大揭示它们的量子波函数

用激光光捕获超冷原子，让研究人员放大并然后成像原子的以前一起离得太近看起来不像任何东西只是一个团块的波函数。

By Karmela Padavic-Callaghan

16 September 2025

Physics

所需的将原子冷却到接近绝对零度设备。Sandra Brandstetter

极冷原子已经被促动来自我放大它们的量子态以便它们能被以前所未有的细节成像。这可能帮助研究人员更好理解在像超导体和超流体一样奇特材料中量子粒子做的。

来成像原子的量子态——即来映射它们的波函数的形状——通常非常难的，尤其是当那些原子密包在固体材料中并与彼此相互作用时。为洞察这类材料的量子行为，科研人员转向极冷原子：它们的量子属性能被用激光和电磁辐射控制，这能被组装成紧密包装的阵列，仿真在固体材料中原子的排列。

德国海德堡大学的桑德拉·布兰德斯特和她的同事们现在已经设计了一种来放大这种超冷原子波函数50倍使它们甚至更易于成像的方法。

他们以比绝对零度仅高几百万分之一度的极冷极限的约30个锂原子开始。研究人员用激光来将这些原子约束成一个平面并控制它们的量子态，有效的保持它们在一个由光弄成的陷阱中。接下来，团队改变了光的属性，刚好以恰当的方式松开陷阱让原子的波函数变得更大但不另外改变形状，有效的“放大它们”。布兰德斯特说一种调谐光就像在一个显微镜中对准放大镜一样的方式。

在这一步骤后，研究团队用成熟的原子检测方法来成像此前不能来分析的波函数的精细细节。布兰德斯特说：“如果我们不用先放大成像这个系统，我们只会看到一个模糊的团块，完全的缺乏来分辨任何结构的能力” 。

她和她的同事们运用这项技术来分析多种原子排列。例如，他们成像了一对与彼此相互作用的原子，本质上形成一个分子——但因为放大倍数，研究团队能够单独的分辨每个原子。在新实验中最复杂的系统包含了12个相互作用的原子，每个原子都有不同的量子自旋，一个决定材料的磁性行为的属性。

英国杜伦大学的乔纳森·莫特洛克说，虽然类似的放大技术以前已经被测试，但新实验是首次来用这种方法定下一个阵列中单个原子的量子行为。这样的细节以前一直是不可能获得的。

现在，研究团队要用这项技术解析当两个叫费米子的量子粒子配对来形成零粘度流动或以完美效率导电流体时发生什么。这类物质状态对建造更好的电子设备是有希望的，但要实现这一目标，研究人员将需要一个使费米子配对起来的更深入理解，以及一旦配对已经发生它们的量子态发生什么。布兰德斯特说，用这项新技术，科研人员可以创造一对超冷费米子原子，然后成像它的放大的波函数来找出。

期刊参考：Physical Review Letters DOI: 10.1103/wdjr-m2hg

https://www.newscientist.com/article/2496211-making-atoms-self-magnify-reveals-their-quantum-wave-functions/