中国科学技术大学郭光灿院士团队实现单离子超分辨成像

近日,中国科学技术大学郭光灿院士团队在冷原子超分辨成像研究中取得重要进展。该团队李传锋、黄运锋、崔金明等人在离子阱系统中实现了单个离子的超分辨成像,这一成果日前在国际学术期刊《物理评论快报》发表。
冷原子系统,包括离子阱中囚禁的离子和光场中囚禁的原子等,是研究量子物理的理想实验平台,也是进行量子模拟、量子计算和量子精密测量实验研究的重要物理系统。冷原子系统中的核心实验技术之一是高分辨单粒子成像。光学超分辨成像已经在化学和生物领域发展成为成熟的工具,并由此导致了2014年的诺贝尔化学奖。然而由于冷原子实验的复杂性,将超分辨成像技术应用于冷原子系统极具挑战。此前国际上对单原子(离子)直接的超分辨成像尚未取得进展。
在本实验中,研究团队借鉴经典成像领域的受激耗尽超分辨成像方法,结合冷原子系统的原子量子态初始化和读取技术,首次在离子阱中实现了单个冷原子(离子)的超分辨成像。实验结果表明该成像方法的空间分辨率可超越衍射极限一个量级以上,利用数值孔径仅为0.1的物镜即可实现175nm的成像分辨率。为了进一步展示该方法的时间分辨率优势,研究团队同时实现了50ns的时间分辨率和10nm的单离子定位精度,并利用该方法清晰地拍摄了囚禁离子在离子阱中的快速简谐震荡。
审稿人高度评价该工作:“清晰地展现了迈向单原子量子运动态的直接动力学测量的重要一步,并在多体纠缠系统具有应用前景”;“本工作的提出和实现,填补了此前缺失的精密测量原子位置的重要工具,有潜力对高频运动的单个运动量子实现空间分辨”。

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