Китайские ученые произвели высококачественную съемку единственного атома на наносекундной шкале времени

Группа исследователей из китайского Научно-технического университета (USTC) китайской Академии наук добились значительного прогресса в реализации технологии сверхскоростной съемки со сверхвысокой разрешающей способностью, которая позволила им запечатлеть поведение единственного атома, точнее иона, охлажденного до сверхнизкой температуры и заключенного внутри ионной ловушки. Положение атома на снимках определяется с точностью в 10 нанометров, а промежуток времени между отдельно взятыми снимками, кадрами, составляет всего 50 наносекунд.

Системы из охлажденных до криогенных температур атомов являются идеальной платформой для изучения причудливых явлений квантовой механики. Более того, на подобных системах проводятся экспериментальные исследования в области квантового моделирования, квантовых вычислений и квантовых измерений. Одним из основных методов таких исследований является высокоскоростная съемка со столь высокой разрешающей способностью, которая позволяет увидеть отдельные атомы.

Однако, все, даже недавно разработанные системы съемки ограничены по разрешающей способности фундаментальным пределом оптической дифракции. Другими словами, разрешающая способность таких систем не может превышать длину волны используемого для освещения света. И это делает практически невозможным изучение квантовых явлений, связанных с волновыми функциями света или элементарных частиц.

Китайские исследователи объединили технологию микроскопии с высокой разрешающей способностью STED (Stimulated Emission Depletion) с технологиями инициализации и считывания квантового состояния отдельного атома. И такой симбиоз двух совершенно различных областей физики позволил им впервые получить прямое изображение атома (иона) с высокой разрешающей способностью.

Результаты экспериментов показали, что пространственное разрешение нового метода позволяет с легкостью обойти ограничения дифракционного предела. Разрешающая способность в 175 нм может быть получена при помощи объектива со значением апертуры в 0.1. Как уже упоминалось выше, точность определения положения атома на снимках составила 10 нанометров, а время между кадрами - 50 наносекунд, что уже вполне позволяет производить съемку процессов гармонических колебаний иона в ловушке. С теоретической точки зрения, дальнейшее увеличение значения апертуры и улучшение качества света позволят в будущем получить пространственную разрешающую способность ниже 10 нанометров.

Новая экспериментальная технология съемки может быть адаптирована для изучения систем из нескольких холодных тел, оптических решеток, оптических пинцетов из отдельных атомов и гибридных систем из атомов и ионов. А возможности этой новой технологии позволят ученым впервые увидеть то, что они раньше видеть не могли и то чем они только догадывались, что, в свою очередь, может обеспечить ряд важных прорывов в разных областях науки и техники.