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2025-05-07 21:51:00
画像は、最初に原子の雲が自由に移動して相互作用することを可能にするチームによって開発された手法を使用して撮影されました。その後、研究者は、トラック内の原子を一時的に凍結する光の格子をオンにし、細かく調整されたレーザーを適用して、懸濁した原子をすばやく照らし、原子が自然に消散する前に位置の絵を作成します。
物理学者は、さまざまな種類の原子の雲を視覚化する手法を適用し、多くのイメージングの最初のものをスナップしました。研究者は、「ボーソン」として知られる原子を直接観察しました。これは、量子現象で束ねて波を形成しました。彼らはまた、超伝導を可能にする重要なメカニズムである、自由空間でペアになる行為で「フェルミオン」として知られる原子を捕獲しました。
「私たちは、これらの興味深い原子の雲とそれらが互いに関係して何をしているのかを見ることができます。
同じジャーナル号で、他の2つのグループは、MITのジョンD.マッカーサー物理学教授であるノーベル賞受賞者のヴォルフガングケッタールが率いるチームを含む、同様のイメージング技術を使用して報告しています。ケターレのグループは、ボソン間の強化されたペア相関を視覚化しましたが、ズウィエラインのラボの元ポスドクであるタリク・イフサが率いるパリのエコール・ノーマル・スペリウレの他のグループは、絡み合っていないフェルミオンの雲を妨げました。
Zwierleinと彼の同僚による研究は、MITの大学院生であるRuixiao Yao、Sungjae Chi、Mingxuan Wang、およびMIT Physics Richard Fletcherの助教授によって共著されています。
クラウドの内側
単一の原子は、直径のナノメートルの約10分の1であり、これは人間の髪の鎖の厚さの100万分の1です。髪とは異なり、原子は量子力学の規則に従って行動し、相互作用します。原子を理解しにくくするのは、それらの量子性です。たとえば、原子がどこにあり、どれだけ速く動いているかを同時に知ることはできません。
科学者は、レーザー光が原子クラウドに輝き、カメラ画面に影を落とす吸収イメージングなど、個々の原子を画像化するためにさまざまな方法を適用できます。
「これらの手法により、原子の雲の全体的な形状と構造を見ることができますが、個々の原子自体ではありません」とZwierleinは述べています。 「空に雲を見るようなものですが、雲を構成する個々の水分子はそうではありません。」
彼と彼の同僚は、自由空間で相互作用する原子を直接画像化するために非常に異なるアプローチを取りました。 「原子分解顕微鏡」と呼ばれるそれらの手法は、最初にレーザービームによって形成されたゆるいトラップで原子の雲を囲むことを伴います。このトラップには、自由に対話できる1つの場所に原子が含まれています。その後、研究者は光の格子でフラッシュし、その位置の原子を凍結します。次に、2番目のレーザーが懸濁した原子を照らし、その蛍光は個々の位置を明らかにします。
「最も難しいのは、原子から光を光学格子から沸騰させることなく集めた」とズウィエラインは言う。 「あなたがこれらの原子に火炎放射器を持っていたら、彼らはそれを好まないでしょう。だから、私たちはこれを行う方法について長年にわたっていくつかのトリックを学びました。そして、私たちがそれをするのは初めてです。
束とペア
チームは、イメージング技術を適用して、ボーソンとフェルミオンの両方の間の相互作用を直接観察しました。光子はボソンの例であり、電子はフェルミオンの一種です。原子は、総スピンに応じて、ボソンまたはフェルミオンになる可能性があります。これは、陽子、中性子、電子の総数が偶数か奇数かによって決まります。一般に、ボソンは引き付けますが、フェルミオンは撃退します。
Zwierleinと彼の同僚は、最初にナトリウム原子で構成された骨の雲を妨げました。低温では、ボソンの雲がボーズエインシュタイン凝縮液として知られているものを形成します。これは、すべての骨が同じ量子状態を共有する問題の状態です。 MITのKetterleは、2001年のノーベル物理学賞を共有したナトリウム原子のボーズエインシュタイン凝縮液を生産した最初の1人の1人でした。
Zwierleinのグループは現在、雲内の個々のナトリウム原子を画像化して、それらの量子相互作用を観察することができます。ボソンは一緒に「バンチ」し、互いに近くにいる確率が向上することが長い間予測されてきました。このバンチングは、同じ量子機械波を共有する能力の直接的な結果です。この波のようなキャラクターは、物理学者のルイ・デ・ブログリーによって最初に予測されました。それは、現代の量子力学の始まりを部分的に引き起こした「ド・ブログリーの波」仮説です。
「私たちは、この波のような性質から世界についてもっと多くを理解しています」とズウィエラインは言います。 「しかし、これらの量子の波のような効果を観察するのは本当に難しいです。しかし、私たちの新しい顕微鏡では、この波を直接視覚化することができます。」
「この種のペアリングは、人々が実験を説明するために思いついた数学的構造の基礎です。しかし、このような写真を見ると、数学の世界で発見されたオブジェクトである写真に表示されています」と研究の共著者リチャード・フレッチャーは言います。 「だから、物理学は肉体的なものに関するものであるということは非常に素晴らしいことです。それは本当です。」
「そこで理論は本当に毛むくじゃらになります。人々は、それを完全に解決できないため、本格的な理論を書き留めるのではなく、絵を描き始めます」とズウィエラインは言います。 「今、私たちはこれらの量子殿堂の州の漫画が実際に本物であるかどうかを確認できます。なぜなら、それらはかなり奇妙な州だからです。」
この作業は、一部には、Ultracold AtomsのMIT-Harvard Centerを介した国立科学財団、および空軍科学研究局、陸軍研究室、エネルギー省、防衛先進プロジェクト研究機関、Vannevar Bush Faculty Felowship、David and Lucile Packard Foundationによって支援されました。
#物理学者は自由範囲原子の最初の画像をスナップします