十多年来，物理学家已经能够利用专门的显微镜精确定位单个原子的位置，其精度超过千分之一毫米。然而，这种方法迄今为止只能提供 x 和 y 坐标。原子的垂直位置（即原子与显微镜物镜之间的距离）信息还很缺乏。研究人员设计出了一种用单个图像精确测量原子三维位置的方法，通过促进对原子的精确操纵和跟踪，彻底改变了量子力学实验和材料开发。
新方法可通过单个图像确定原子的所有三个空间坐标。这种由波恩大学和布里斯托尔大学开发的方法是基于一种巧妙的物理原理。这项研究最近发表在专业期刊《物理评论 A》上。
测量第三维度的挑战
在生物课上用显微镜观察过植物细胞的人可能都能回忆起类似的情形。很容易看出，某个叶绿体位于细胞核的上方和右侧。但它们是否位于同一平面上呢？然而，一旦调整显微镜的焦距，就会发现细胞核的图像变得更加清晰，而叶绿体的图像却变得模糊不清。其中一个一定比另一个高一点，一个比另一个低一点。不过，这种方法无法精确显示它们的垂直位置。
实际情况就是这样：各种"哑铃"的旋转方向不同，表明原子位于不同的平面上。图片来源：IAP/波恩大学
如果要观察单个原子而不是细胞，原理也非常相似。所谓的量子气体显微镜可用于此目的。它可以直接确定原子的 x 坐标和 y 坐标。然而，要测量其 Z 坐标（即到物镜的距离）则要困难得多：为了确定原子位于哪个平面上，必须拍摄多幅图像，并在不同平面上移动焦点。这是一个复杂而耗时的过程。
把圆点变成哑铃
波恩大学应用物理研究所（IAP）的 Tangi Legrand 解释说："我们现在已经开发出一种方法，可以一步完成这一过程。为了实现这一目标，我们使用了一种早在上世纪 90 年代就已在理论上被人们所熟知，但尚未在量子气体显微镜中使用过的效应"。
要对原子进行实验，首先必须将其大幅冷却，使其几乎不动。然后，可以将它们困在激光的驻波中。然后，它们就会滑入波谷中，就像鸡蛋坐在鸡蛋盒里一样。一旦被困住，为了显示它们的位置，就将它们暴露在另一束激光下，这束激光会刺激它们发光。由此产生的荧光在量子气体显微镜下显示为一个略微模糊的圆形斑点。
量子气体显微镜产生的原子图像通常是一个圆形、略微模糊的斑点。研究人员将其扭曲成哑铃状（图片显示的是理论预测）。哑铃指向的方向表示 z 坐标。图片来源：IAP/波恩大学
安德烈亚-阿尔贝蒂博士解释说："我们现在已经开发出一种特殊的方法，可以使原子发出的光的波面变形。变形的波面在照相机上产生了一个围绕自身旋转的哑铃形状，而不是典型的圆形斑点。这个哑铃指向的方向取决于光线从原子到照相机的距离"。这位研究员目前已从 IAP 转到位于加兴的马克斯-普朗克量子光学研究所，他也参与了这项研究。
"因此，哑铃的作用有点像罗盘上的指针，让我们可以根据它的方向读出z坐标，"迪特尔-梅斯赫德（Dieter Meschede）博士说。波恩大学跨学科研究领域"物质"的成员之一。
对量子力学实验非常重要
通过这种新方法，只需一张图像就能精确测定原子在三维空间中的位置。例如，如果你想用原子进行量子力学实验，这一点就非常重要，因为通常必须能够精确控制或跟踪原子的位置。这样，研究人员就可以使原子以所需的方式相互影响。
此外，这种方法还可用于帮助开发具有特殊特性的新型量子材料。布里斯托尔大学的 Carrie Weidner 博士解释说："例如，我们可以研究原子按一定顺序排列时会产生哪些量子力学效应。"这将使我们能够在一定程度上模拟三维材料的特性，而无需合成它们"。
编译自:ScitechDaily