費(fèi)米子包括有電子,質(zhì)子,中子,夸克等核子組成的奇數(shù)的基本粒子——物質(zhì)的構(gòu)成是在眾多粒子交互排列形成了各種元素。因?yàn)樗麄兊馁M(fèi)米特性,電子和核物質(zhì) 在理論上很難理解,所以研究人員嘗試使用超冷氣體冷凍費(fèi)米子原子。但費(fèi)米子的單獨(dú)成像幾乎是不可能的,因?yàn)樗麄儗?duì)光線非常敏感,當(dāng)一個(gè)光子撞擊一個(gè)原子, 粒子的位置會(huì)改變。
為了避免這些問題,新的成像技術(shù)使用了兩束激光束對(duì)準(zhǔn)晶格中的費(fèi)米子原子云。兩束不同的波長(zhǎng)的光,冷凍原子云,降低費(fèi)米子能級(jí),最終達(dá)到基態(tài)。同時(shí),每個(gè)費(fèi)米子釋放光,被顯微鏡捕捉到,拍攝到費(fèi)米子的確切位置。
研究人員用這項(xiàng)新技術(shù)能夠冷凍并拍攝超過95%的費(fèi)米子。Martin Zwierlein,麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授說還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象,費(fèi)米子拍完后還處于冷凍狀態(tài)。
“這意味著我知道他們?cè)谀抢?,我可以用一個(gè)小鑷子將它們移動(dòng)到任何位置,并安排他們?cè)谌魏文J轿蚁??!盳wierlein說。研究結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。
在過去的二十年里,實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家研究超冷原子氣體的兩類粒子:費(fèi)米子和玻色子,例如光子與費(fèi)米子不同的是,可以在無限地占據(jù)相同的量子態(tài)。2010年, 一個(gè)玻色子顯微鏡被麥克斯·普朗克量子光學(xué)研究所開發(fā)出來,用來揭示在強(qiáng)相互作用下玻色子的行為。然而,還沒有人發(fā)明了一種類似費(fèi)密子顯微鏡。
冷卻原子到絕對(duì)零度的技術(shù)已經(jīng)計(jì)劃了幾十年。在1995年,康奈爾的Carl Wieman和麻省理工的Wolfgang Ketterle實(shí)現(xiàn)了玻色-愛因斯坦凝聚,被授予2001年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。其他技術(shù)包括使用激光冷卻原子,從300攝氏度到接近絕對(duì)零度。
然而,觀察單獨(dú)的費(fèi)米子需要進(jìn)一步冷卻。要做到這一點(diǎn),Zwierlein團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一種光學(xué)晶格,像一個(gè)盒子樣的結(jié)構(gòu),每個(gè)都可能困住一個(gè)費(fèi)米子。通過激光冷卻,磁捕捉,進(jìn)一步蒸發(fā)冷卻氣體等不同階段,得到略高于絕對(duì)零度——足夠使費(fèi)米子進(jìn)入光學(xué)晶格中。
他的團(tuán)隊(duì)決定使用雙激光方法進(jìn)一步冷卻原子;操縱原子的特定的能量水平或振動(dòng)能量。團(tuán)隊(duì)用兩束不同頻率的激光照射晶格。頻率的差異與費(fèi)米子的能級(jí)一致。 因此,當(dāng)雙光束射向費(fèi)米子,粒子會(huì)吸收較小的頻率,并從較大的頻率發(fā)出光子,反過來降低一個(gè)能級(jí),穩(wěn)定狀態(tài)。晶格上的鏡頭收集發(fā)射光子,記錄其精確位置。
“費(fèi)米氣體的顯微鏡,和隨意擺弄原子位置的能力,可能是實(shí)現(xiàn)費(fèi)米量子計(jì)算機(jī)的重要一步,”Zwierlein說?!坝腥藭?huì)利用同樣的復(fù)雜量子規(guī)則,妨礙我們對(duì)電子系統(tǒng)的理解?!?/P>
Zwierlein說,這是一個(gè)很好的時(shí)機(jī):大約在同一時(shí)間,他的團(tuán)隊(duì)首先公布了結(jié)果,來自哈佛大學(xué)和斯特拉斯克萊德大學(xué)的團(tuán)隊(duì)在格拉斯哥也發(fā)表了費(fèi)密子在光晶格圖像,指出這種顯微鏡的美好未來。
這項(xiàng)研究的部分資金由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì),美國(guó)空軍科學(xué)研究辦公室,美國(guó)海軍研究辦公室,陸軍研究辦公室,戴維和露西爾帕卡德基金會(huì)提供。