中科大郭光燦院士團隊首次實現單離子超分辨成像

郭光燦院士

中國科學技術大學郭光燦院士團隊在冷原子超分辨成像研究中取得重要進展，李傳鋒、黃運鋒、崔金明等人在離子阱系統中實現單離子超分辨成像。該成果日前發表于《物理評論快報》。

冷原子系統包括離子阱中囚禁的離子和光場中囚禁的原子等，是研究量子物理的理想實驗平臺，也是量子模擬、量子計算和量子精密測量實驗研究的重要物理系統。冷原子系統中的核心實驗技術之一是高分辨單粒子成像。近十年來，冷原子系統的顯微成像技術飛速發展，涌現出量子氣體顯微鏡、光鑷原子陣列、高分辨率囚禁離子成像等先進技術。然而，受限于光學衍射極限，這些技術分辨率只能達到光學波長量級，研究波函數細節相關的量子現象需要光學超分辨成像。此前，國際上對單原子（離子）直接的超分辨成像尚未取得進展。

中國科學技術大學團隊借鑒經典成像領域的受激耗盡超分辨成像方法，結合冷原子系統的原子量子態初始化和讀取技術，首次在離子阱中實現單個離子的超分辨成像。實驗結果表明，該成像方法的空間分辨率可超越衍射極限一個量級以上，利用數值孔徑僅為0.1的物鏡即可實現175 納米的成像分辨率。為了進一步展示該方法的時間分辨率優勢，團隊同時實現了50納秒的時間分辨率和10納米的單離子定位精度，并清晰地拍攝了囚禁離子在離子阱中的快速簡諧震蕩，理論上通過相關操作可將空間分辨率提高至10納米以下。

這一實驗技術可擴展到冷原子系統的多體和關聯測量。審稿人認為，該工作“填補了此前缺失的精密測量原子位置的重要工具，有潛力對高頻運動的單個運動量子實現空間分辨”。