物理学家展示了确定单原子3D位置的新方法

这种新方法由波恩大学和布里斯托大学的物理学家团队开发，基于巧妙的物理原理，可以通过一张图像精确确定 3D 原子的位置。

“任何在生物课上使用过显微镜来研究植物细胞的人都可能能够回忆起类似的情况，”波恩大学的 Tangi Legrand 博士及其同事说。

“很容易看出，某种叶绿体位于细胞核的上方和右侧。但他们俩是在同一平面上吗?”

“然而，一旦调整显微镜的焦点，您就会看到细胞核的图像变得更清晰，而叶绿体的图像则变得模糊。”

“其中一个必须比另一个高一点，一个比另一个低一点。然而，这种方法无法为我们提供有关它们垂直位置的精确细节。”

“如果你想观察单个原子而不是细胞，原理非常相似。所谓的量子气体显微镜可以用于此目的。”

“它可以让你直接确定原子的 x 和 y 坐标。”

“然而，测量它的 z 坐标(即到物镜的距离)要困难得多：为了找出原子位于哪个平面上，必须拍摄多个图像，其中焦点在不同的不同平面上移动。飞机。这是一个复杂且耗时的过程。”

“我们现在开发了一种方法，可以一步完成这一过程，”罗格朗博士说。

“为了实现这一目标，我们使用了一种自 20 世纪 90 年代以来理论上已为人所知的效应，但尚未在量子气体显微镜中使用。”

为了对原子进行实验，首先需要将它们显着冷却，以便它们几乎不移动。

之后，例如可以将它们捕获在激光驻波中。

然后它们滑入波谷，就像鸡蛋放在蛋盒里一样。

一旦被困，为了揭示它们的位置，它们会暴露在额外的激光束下，刺激它们发光。

由此产生的荧光在量子气体显微镜中显示为稍微模糊的圆形斑点。

“我们现在开发了一种特殊的方法来使原子发射的光的波前变形，”同样来自波恩大学的安德里亚·阿尔贝蒂博士说。

“变形的波前不是典型的圆形斑点，而是在相机上产生围绕自身旋转的哑铃形状。”

“这个哑铃指向的方向取决于光从原子到相机的传播距离。”

“因此，哑铃的作用有点像指南针上的指针，使我们能够根据其方向读取 z 坐标，”波恩大学教授迪特尔·梅舍德 (Dieter Meschede) 说。

新方法可用于帮助开发具有特殊特性的新型量子材料。

“例如，我们可以研究当原子按一定顺序排列时会发生哪些量子力学效应，”布里斯托大学的物理学家 Carrie Weidner 博士说。

“这将使我们能够在某种程度上模拟三维材料的特性，而无需合成它们。”

该团队的工作发表在《物理评论 A》杂志上。