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中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團隊在冷原子超分辨成像研究中取得重要進(jìn)展。該團隊李傳鋒、黃運鋒、崔金明等人在離子阱系統中實(shí)現了單個(gè)離子的超分辨成像，該成果12月23日發(fā)表在國際知名期刊《物理評論快報》上。
冷原子系統，包括離子阱中囚禁的離子和光場(chǎng)中囚禁的原子等，是研究量子物理的理想實(shí)驗平臺，也是進(jìn)行量子模擬、量子計算和量子精密測量實(shí)驗研究的重要物理系統。冷原子系統中的核心實(shí)驗技術(shù)之一是高分辨單粒子成像。近十年來(lái)，冷原子系統的顯微成像技術(shù)飛速發(fā)展，涌現出了量子氣體顯微鏡、光鑷原子陣列、高分辨率囚禁離子成像等先進(jìn)技術(shù)。然而這些技術(shù)仍受限于基本的光學(xué)衍射極限，分辨率只能達到光學(xué)波長(cháng)量級，難以用于研究波函數細節相關(guān)的量子現象，研究這類(lèi)問(wèn)題需要光學(xué)超分辨成像。
眾所周知，光學(xué)超分辨成像已經(jīng)在化學(xué)和生物領(lǐng)域發(fā)展成為成熟的工具，并由此導致了2014年的諾貝爾化學(xué)獎。然而由于冷原子實(shí)驗的復雜性，將超分辨成像技術(shù)應用于冷原子系統極具挑戰。此前國際上對單原子（離子）直接的超分辨成像尚未取得進(jìn)展。
在本實(shí)驗中，研究團隊借鑒經(jīng)典成像領(lǐng)域的受激耗盡超分辨成像方法(STED),結合冷原子系統的原子量子態(tài)初始化和讀取技術(shù)，首次在離子阱中實(shí)現了單個(gè)冷原子（離子）的超分辨成像。實(shí)驗結果表明該成像方法的空間分辨率可超越衍射極限一個(gè)量級以上，利用數值孔徑僅為0.1的物鏡即可實(shí)現175 nm的成像分辨率。為了進(jìn)一步展示該方法的時(shí)間分辨率優(yōu)勢，研究團隊同時(shí)實(shí)現了50 ns的時(shí)間分辨率和10 nm的單離子定位精度，并利用該方法清晰地拍攝了囚禁離子在離子阱中的快速簡(jiǎn)諧震蕩。理論上，通過(guò)增加成像物鏡的數值孔徑和耗盡光（面包圈光斑）的中心消光比，可進(jìn)一步將空間分辨率提高至10 nm以下。
圖1單離子超分辨成像。（a）單離子熒光成像，（b）利用離子作為探針測量的耗盡光模式，（c）單離子超分辨成像結果，(d-e)成像分辨率與耗盡光強和耗盡時(shí)間的關(guān)系，（f）單離子熒光成像（FM）與超分辨成像（GSD）分辨率對比。
圖2超分辨成像方法應用于離子動(dòng)力學(xué)測量。（a）采用電信號激勵離子y方向簡(jiǎn)諧運動(dòng)，（b）成像時(shí)許，（c）對運動(dòng)離子不同時(shí)刻的成像，擬合像斑中心（藍色十字）可以清晰觀(guān)測y方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。（d）不同激勵電壓的離子運動(dòng)軌跡。
本項實(shí)驗技術(shù)可擴展到冷原子系統的多體和關(guān)聯(lián)測量，并且對其他冷原子系統也具有很好的兼容性，可應用于光晶格、中性原子光鑷以及冷原子-離子混合系統等。審稿人高度評價(jià)該工作：“清晰地展現了邁向單原子量子運動(dòng)態(tài)的直接動(dòng)力學(xué)測量的重要一步，并在多體糾纏系統具有應用前景”；“本工作的提出和實(shí)現，填補了此前缺失的精密測量原子位置的重要工具，有潛力對高頻運動(dòng)的單個(gè)運動(dòng)量子實(shí)現空間分辨”。
論文的共同第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗室的錢(qián)忠華博士和崔金明副研究員。該研究得到了科技部，國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院和安徽省的資助。
