科學(xué)家首次拍到“自由原子”：一場量子世界的攝影革命

你能想象嗎？科學(xué)家們終于用“高清攝像機”拍到了自由原子的真實模樣！就在不久前，麻省理工學(xué)院團(tuán)隊首次在實空間直接成像了“自由原子”，不僅清晰觀測到玻色子在玻色–愛因斯坦凝聚態(tài)中簇集的量子現(xiàn)象，還捕捉到了費米子反簇集以及它們在BEC-BCS交叉區(qū)形成配對的全過程。這一突破依賴于全新的“原子分辨顯微術(shù)”，通過松弛光阱捕獲原子云、瞬時開啟光學(xué)晶格凍結(jié)運動，再以熒光或拉曼邊帶冷卻手段成像，科學(xué)家們終于實現(xiàn)了對百年量子力學(xué)基礎(chǔ)——德布羅意波和量子統(tǒng)計性質(zhì)的直接驗證，為實時可視化強關(guān)聯(lián)量子氣體開辟了新路徑。

為什么“自由原子”如此難以被直接觀測？這要從量子力學(xué)的基本原則說起。海森堡測不準(zhǔn)原理告訴我們，微觀粒子的“位置”和“動量”無法同時被精確測定。對于單個原子來說，想要測量它的軌跡，就必然會對它施加外力，改變其運動狀態(tài)；而如果想測量它的動量，就必須避免強干擾，卻又無法確定其具體位置。過去的原子成像技術(shù)，比如吸收成像，只能拍攝原子云整體的陰影，無法分辨單個粒子的行為。科學(xué)家們一直希望能讓原子“自由游走”，保留其本征量子態(tài)，同時又能在極短時間內(nèi)“定格”它們的位置，實現(xiàn)單原子級別的可視化。只有這樣，才能直接觀察德布羅意波及量子統(tǒng)計效應(yīng)，驗證百年前的理論。

所謂“自由原子”，指的是未被深阱束縛、能夠在連續(xù)空間內(nèi)相互作用的超冷原子群體。與以往實驗中常見的深光學(xué)晶格或磁阱束縛不同，自由原子在弱束縛下保留了更多熱運動自由度，呈現(xiàn)出更接近理想氣體的狀態(tài)。在這種狀態(tài)下，原子之間的量子關(guān)聯(lián)以及熱漲落都能得到更真實的展現(xiàn)。首次實空間成像自由原子的突破，不僅能直觀捕捉粒子的波動特征，還能揭示玻色–愛因斯坦凝聚中玻色子的簇集現(xiàn)象，以及費米子的反簇集與配對行為，這對德布羅意波及量子統(tǒng)計的驗證具有里程碑意義。

回顧理論基礎(chǔ)，1924年，法國物理學(xué)家路易·德布羅意提出了粒子的波動性假說：所有微觀物質(zhì)粒子都具有波粒二象性。此后，量子力學(xué)建立在波函數(shù)ψ的概率詮釋之上，而德布羅意波則成為波函數(shù)實在性的直觀來源。對于單個原子來說，其波函數(shù)在空間中分布會形成干涉和衍射效應(yīng)，但由于粒子太小，傳統(tǒng)光學(xué)手段難以直接成像。玻色–愛因斯坦統(tǒng)計適用于自旋為整數(shù)的玻色子，允許多個粒子占據(jù)同一量子態(tài)，表現(xiàn)為簇集效應(yīng)；而費米–狄拉克統(tǒng)計適用于自旋為半整數(shù)的費米子，遵循泡利不相容原理，表現(xiàn)為反簇集效應(yīng)。這兩種統(tǒng)計行為在宏觀凝聚態(tài)中都有明顯體現(xiàn)，但在自由運動的原子氣體中則更為微妙，需要高分辨實驗直接驗證。

更令人興奮的是，科學(xué)家們還在BEC-BCS交叉區(qū)觀測到了配對現(xiàn)象。玻色–愛因斯坦凝聚與庫珀對超導(dǎo)原理在物理學(xué)上看似不同：前者是緊密結(jié)合的玻色對，后者是能帶中松散的庫珀對。BEC-BCS交叉區(qū)則是兩者的平滑過渡區(qū)，在這里可以通過調(diào)節(jié)原子間相互作用強度，實現(xiàn)從緊束縛對到松散對的可控轉(zhuǎn)換。通過自由原子成像，研究者能夠直接測量雙原子關(guān)聯(lián)函數(shù)，獲得配對尺寸與接觸參數(shù)的信息，為驗證多體量子系統(tǒng)的理論模型提供了首個實空間證據(jù)。

那么，MIT團(tuán)隊是如何實現(xiàn)這一“量子世界直播”的？首先，他們使用弱光阱對超冷原子云進(jìn)行“松弛捕獲”，保持足夠淺的勢阱深度，讓原子在阱內(nèi)具有有限的游動自由度，又不會因過強束縛而喪失原本的熱漲落特征。隨后，原子被轉(zhuǎn)移至弱束縛的紅外光阱中，在毫秒級的自由演化中完成相互作用和量子統(tǒng)計效應(yīng)的自然呈現(xiàn)。接下來，實驗團(tuán)隊會在原子云自由演化達(dá)到預(yù)定時間后，立即開啟三維光學(xué)晶格，將激光干涉形成的周期性勢阱瞬時打開，把當(dāng)時處于不同位置的原子“凍結(jié)”在各自的勢槽中。這一過程的開關(guān)時間極為關(guān)鍵，通常需在微秒甚至更短的時間內(nèi)完成，避免原子在激光場建立過程中發(fā)生顯著擴散，從而失去原位信息。

在原子被光學(xué)晶格固定后，研究者使用激發(fā)原子熒光的成像方式，通過收集每個勢槽中發(fā)射的熒光光子來確定單個原子的位置。對于鈉原子，采用原子過渡譜線直接激發(fā)并收集熒光；而對于鋰原子，則結(jié)合拉曼邊帶冷卻技術(shù)，在冷卻過程中維持原子位置不變的同時，減少熱漲落帶來的成像模糊。最終，成像分辨率達(dá)到亞微米級，能夠多次重復(fù)，對同一原子云進(jìn)行時序成像。

采集到的單原子熒光圖像還需經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，包括背景光子去除、點擴散函數(shù)反卷積、以及原子位點的亞像素級定位。研究者開發(fā)了自動化圖像分析算法，通過高斯擬合與最大似然估計相結(jié)合，精確提取每個原子的二維位置坐標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步計算二粒子相關(guān)函數(shù)，揭示原子間距分布與量子統(tǒng)計效應(yīng)。通過分析遠(yuǎn)程相關(guān)函數(shù)，還能提取配對峰與短程接觸強度，從而獲得配對尺寸和相互作用信息。這一數(shù)據(jù)處理流程為后續(xù)理論模型驗證和量子多體模擬提供了高精度實驗證據(jù)。

實驗結(jié)果令人振奮。在鈉原子玻色–愛因斯坦凝聚體實驗中，研究者捕捉到了大量玻色子在同一量子態(tài)下“簇集”成團(tuán)的瞬間圖像。通過分析單原子成像數(shù)據(jù)，團(tuán)隊繪制了二粒子關(guān)聯(lián)函數(shù)隨距離的衰減曲線，觀察到在零距離處關(guān)聯(lián)峰明顯，而隨距離增大效果迅速減弱。這一現(xiàn)象與理論模擬高度一致，直觀地展示了德布羅意波的波動性本質(zhì)，以及玻色–愛因斯坦凝聚中宏觀量子相干的形成機制。此前，僅有間接證據(jù)支持玻色子簇集，此次實空間直觀成像實現(xiàn)了百年理論的首次直接驗證。

對于自旋半整數(shù)的鋰原子氣體，實驗揭示了費米子因泡利不相容原理而表現(xiàn)出的反簇集特征。通過單原子定位，團(tuán)隊還直接觀測到兩種自旋態(tài)的費米子在適度相互作用下形成配對的過程。在BEC-BCS交叉區(qū)，隨著相互作用由強到弱轉(zhuǎn)變，配對方式由緊密的玻色對逐漸演化為松散的庫珀對。成像中可見，當(dāng)相互作用趨弱時，配對尺寸迅速增大，這一變化通過遠(yuǎn)程關(guān)聯(lián)峰的寬度和高度定量提取，為理解超導(dǎo)體中庫珀對的宏觀渦流和相干性提供了直觀參照。

更進(jìn)一步，團(tuán)隊利用二粒子關(guān)聯(lián)函數(shù)的遠(yuǎn)程衰減行為，結(jié)合理論模型，反演得到配對對的典型空間尺度——配對尺寸；同時，通過短程極限的相關(guān)函數(shù)強度，直接測量了接觸參數(shù)，表征了雙原子在短距離內(nèi)的強關(guān)聯(lián)程度。這兩項量直接關(guān)系到多體量子系統(tǒng)的超流相干長度和臨界溫度，對高溫超導(dǎo)、量子模擬以及拓?fù)淞孔硬牧系难芯烤哂兄匾笇?dǎo)意義。在此前的實驗中，這類參數(shù)只能通過動量分辨技術(shù)或能譜測量間接推斷，此次原位成像提供了首個無需傅里葉變換的直接測量方案。

此外，研究者還利用原子數(shù)密度漲落與熱力學(xué)響應(yīng)的關(guān)系，實現(xiàn)了原位溫度測量。通過對不同區(qū)域的原子數(shù)方差細(xì)致統(tǒng)計，并結(jié)合系統(tǒng)的壓縮系數(shù)，團(tuán)隊能夠在不破壞原子云的情況下，直接推導(dǎo)出氣體的局部溫度分布。這項技術(shù)彌補了傳統(tǒng)飛行時間成像只能給出整體平均溫度的局限，使未來在研究非平衡量子動力學(xué)、熱化過程以及多體局域化時，能夠獲得更豐富的局部熱力學(xué)信息。

自路易·德布羅意于1924年提出波粒二象性以來，粒子波動性的直接實驗證據(jù)一直是量子力學(xué)領(lǐng)域的核心訴求。此次原位成像實驗首次在空間域直接觀測到德布羅意波效應(yīng)及其引發(fā)的量子統(tǒng)計行為，為包括玻色–愛因斯坦凝聚和費米子配對在內(nèi)的基本道理提供了最直觀的實證。過去，科學(xué)家們只能通過動量分辨或干涉實驗進(jìn)行間接驗證，而單原子成像則將驗證路徑從動量空間“搬回”到真實空間，大幅提升了量子力學(xué)基礎(chǔ)研究的可視化程度。

正如理查德·費曼所說：“如果你認(rèn)為你理解了量子力學(xué)，那么你肯定沒有理解量子力學(xué)。”科學(xué)的魅力，正是在于不斷挑戰(zhàn)我們的想象力極限！