QI研究人员对原子波函数揭示新亮点

物理学家已经展示了一种通过直接观察获得描述孤立量子系统(如原子气体)的基本细节的新方法。新方法提供了有关在系统中特定位置寻找原子的可能性的信息，具有前所未有的空间分辨率。通过这种技术，科学家们可以获得数十纳米的细节 - 小于病毒的宽度。

在完成实验联合量子研究所(JQI)，美国国家标准与技术研究院(NIST)之间的科研合作关系，马里兰大学，使用光学晶格激光的网页即暂停数千个独立的原子，以确定原子可能在任何给定位置的概率。因为晶格中的每个原子都像其他原子一样，对整个原子组的测量揭示了单个原子在空间中特定点的可能性。

发表于物理评论 杂志X，JQI技术(以及芝加哥大学同时发布的类似技术)可以产生原子位置远低于用于照射原子的光波长的可能性 -比光学显微镜通常可以解决的极限要好50倍。

“这证明了我们观察量子力学的能力，”JQI的研究工作背后的物理学家之一Trey Porto说。“对于接近这种精度的原子，它还没有完成。”

为了理解量子系统，物理学家经常谈论它的“波函数”。它不仅仅是一个重要的细节; 这是整个故事。它包含描述系统所需的所有信息。

“这是对系统的描述，”该论文的另一位作者JQI物理学家史蒂夫罗尔斯顿说。“如果您有波函数信息，您可以计算其他所有信息 - 例如物体的磁性，其电导率以及发射或吸收光的可能性。”

虽然波函数是一个数学表达式而不是物理对象，但团队的方法可以揭示波函数描述的行为：量子系统将以一种方式与另一种方式表现的概率。在量子力学的世界里，概率就是一切。

在量子力学的许多奇怪原理中，有一种观点认为，在我们测量它们的位置之前，物体可能没有可定位的位置。例如，原子核周围的电子不会以规则的行星轨道运行，这与我们在学校教授的一些图像相反。相反，它们就像波纹一样，因此不能说电子本身具有明确的位置。相反，电子位于空间的模糊区域内。

所有的物体都可以有这种波状的行为，但是对于任何足以让肉眼无法看到的物体来说，效果都是难以察觉的，经典物理学的规则是有效的 - 我们不会注意到像波浪一样展开的建筑物，水桶或面包屑。但是孤立一个微小的物体，如原子，情况就不同了，因为原子存在于一个大小领域，量子力学的影响至高无上。它不可能肯定地说它位于何处，只能在某处找到它。波函数提供了在任何给定位置找到原子的概率集。

无论如何，物理学家已经充分理解了量子力学 - 对于一个足够简单的系统，专家可以从第一原理计算波函数而无需观察它。但是，许多有趣的系统很复杂。

“存在无法计算的量子系统，因为它们太难了，”Rolston说 - 例如由几个大原子组成的分子。“这种方法可以帮助我们理解这些情况。”

由于波函数只描述了一组概率，物理学家如何才能在短时间内全面了解其影响?该团队的方法涉及同时测量大量相同的量子系统，并将结果合并为一个整体图像。这有点像同时滚动100,000对骰子 - 每个掷骰子给出一个结果，并在概率曲线上贡献一个点，显示所有骰子的值。

该团队观察到的是光学晶格在其激光中悬浮的大约100,000个镱原子的位置。镱原子与它们的邻居隔离并限制为沿着一维线段来回移动。为了获得高分辨率图像，该团队找到了一种方法来观察这些线段的窄片，以及每个原子在各自切片中出现的频率。在观察了一个区域之后，团队测量了另一个区域，直到它有了全局。

罗尔斯顿表示，虽然他还没有想到会利用这种技术的“杀手级应用”，但团队直接想象量子研究的核心事实这一事实让他着迷。

“它的使用地点并不十分明显，但它是一种新技术，提供了新的机会，”他说。“我们多年来一直使用光学晶格捕获原子，现在它已经成为一种新的测量工具。”