Under de senaste åren har fysiker försökt att bättre förstå hur enskilda kvantpartiklar beter sig när de rör sig i rymden. Men att direkt avbilda dessa partiklar med hög precision har hittills visat sig vara en utmaning, på grund av begränsningarna i befintliga mikroskopimetoder.
Forskare vid CNRS och École Normale Supérieure i Paris, Frankrike, har nu utvecklat ett nytt protokoll för att direkt avbilda utvecklingen av ett vågpaket med en enda atom, ett delokaliserat kvanttillstånd som bestämmer sannolikheten för att en associerad atom kommer att hittas på en specifik plats. Denna avbildningsteknik, som presenteras i Physical Review Letters, kan öppna spännande möjligheter för exakta studier av komplexa kvantsystem i kontinuerlig rymd.
”Vår grupp är intresserad av att studera ultrakalla atomer, de kallaste systemen i universum, bara några miljarddelar av grader över den absoluta nollpunkten, där materia uppvisar fascinerande beteenden”, säger Tarik Yefsah, senior författare till artikeln. ”Ett av dessa beteenden är den så kallade superfluiditeten, ett anmärkningsvärt materietillstånd där partiklar flyter utan friktion.
”Detta är ett rent kvantfenomen där systemet, även om det består av partiklar, beter sig som en gigantisk våg. När interaktionen mellan partiklarna är stor är det extremt svårt att teoretiskt förutsäga det exakta beteendet i ett sådant tillstånd, särskilt på den mikroskopiska, atomära, skalan.”
Det primära syftet med Yefsahs och hans kollegors senaste studie var att undersöka dessa kvantsystem genom att lösa upp varje enskild atom som är involverad i dem. De var medvetna om att de genom att slå på ett optiskt gitter (dvs. en lasertillverkad äggkartongliknande låda), använda det för att fästa atomer och sedan lysa på dem med ett noggrant utvalt ljus, skulle kunna avbilda dem individuellt och se hur de blir fluorescerande medan de är fångade.
”Atomerna befinner sig initialt i fri rymd och utan ett optiskt gitter för detektionsfasen skulle de röra sig för mycket och vi skulle förlora information om deras ursprungliga position”, säger Yefsah. ”Med hjälp av ett optiskt gitter är frågan hur vi kan säkerställa att atomerna fastnar i den gitterbrunn (äggslits) som ligger närmast deras ursprungliga position, i stället för att förflytta sig till en avlägsen gitterbrunn?
”Det senare scenariot skulle ge felaktig information. Vi insåg att svaret på den här frågan inte är självklart ens för en vågfunktion för en enda atom som lever i fri rymd – innan vi ens överväger den komplicerade vågfunktionen för många kroppar i en interagerande ensemble.”
Baserat på dessa inledande förutsägelser och överväganden insåg forskarna att det skulle vara meningsfullt att först utföra sitt experiment med vågfunktioner för en enda atom. Om detta lyckades skulle de sedan kunna använda samma metoder för att studera mer komplexa kvantsystem.
”Det här experimentet är avgörande: om pinning misslyckas här finns det inte mycket hopp om att det ska fungera med mer komplicerade system”, säger Yefsah. ”Lyckligtvis hittade vi en regim där det fungerade över förväntan, med en nästan 100% trohet.”
Ett vågpaket med en enda atom som expanderar i kontinuerlig rymd (översta raden) avbildas genom att atomens position projiceras på platserna i ett optiskt gitter. Genom upprepade mätningar av identiskt förberedda vågpaket får vi histogram över den absoluta kvadratiska vågfunktionen (nedre raden). Vår teknik fungerar som en CCD-kamera för atomvågfunktioner. Kredit: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.083403
För att förbereda vågpaketen som de avbildade som en del av sitt experiment, slog forskarna först på det optiska gallret och kylde atomer inuti det. Efter denna kylningsprocess fördes atomerna till botten av gitterbrunnarna, vilket i slutändan fick dem att bete sig som en fångad gaussisk kvantvåg.
”Detta första steg gör det också möjligt för oss att identifiera startpositionen för varje atom”, förklarar Yefsah. ”När vi har stängt av gitteret kan vågpaketen expandera fritt i ett plan tills de blir större än några få gitterplatser (detta är nödvändigt eftersom vi vill att atomen ska ’glömma’ sin ursprungliga position och bete sig som ett verkligt kontinuerligt system). Alla experimentella steg fram till detta används enbart för att förbereda det system vi är intresserade av.”
Efter att ha slutfört dessa inledande förberedelser slog forskarna på det optiska gallret igen för att återfånga var och en av atomerna i en given brunn. Detta gjorde det möjligt för dem att få en exakt mätning av atomernas förskjutning.
”Genom att upprepa detta experiment med ett stort antal atomer kunde vi rekonstruera vågfunktionens tidsutveckling med en aldrig tidigare skådad exakthet”, säger Yefsah.
”Detta uppnås endast när gitterets påslagning är vältajmad: den kan inte vara för snabb eller för långsam. Mätningen av expansionen av det gaussiska vågpaketet, som förutses av Schrödingerekvationen, gjorde det möjligt för oss att hitta den rätta punkten.”
I slutändan kunde Yefsah och hans kollegor utforma ett effektivt protokoll för att projicera en atom från kontinuerlig rymd till närmaste gitterplats på ett kontrollerat sätt, och uppnå en precision som överstiger 99%. Forskarna har hittills använt detta protokoll för att avbilda ett vågpaket med en enda atom som expanderar i kontinuerlig rymd, men det kan snart användas för att studera andra komplexa kvantsystem som är tillräckligt utspädda.
”Den avbildningsmetod som vi har utvecklat är lite som en CCD-kamera för atomära vågfunktioner”, säger Yefsah. ”Vår avbildningsmetod för en enda atom i kontinuumet kan tillämpas på alla system som är tillräckligt utspädda och som utvecklas i fri rymd, inklusive system med många kroppar för vilka det kan vara svårt att beräkna teoretiska resultat.
”I en ny publikation som publicerades på arXiv preprint-servern och som nu accepterats av PRL använder teamet till exempel den avbildningsteknik som banade väg i deras artikel om vågpaket för att avbilda Fermi-gaser. Vi kunde avslöja det mycket intrikata sätt på vilket atomer agerar kollektivt i dessa system.”
Nu när forskarna har bekräftat att deras avbildningsprotokoll är effektivt använder de det för att ta itu med de forskningsproblem som de hade i åtanke när de först utvecklade det. Mer specifikt använder de det nu för att studera beteendet hos starkt interagerande superfluider, vilket är mycket svårt att förutsäga teoretiskt.
För mer information: Joris Verstraten et al, In Situ Imaging of a Single-Atom Wave Packet in Continuous Space, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.083403. På arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2404.05699
