十多年来，物理学家已经可以使用特殊类型的显微镜以小于千分之一毫米的精度精确测量单个原子的位置。然而，该方法到目前为止仅提供x 和 y 坐标。缺乏有关原子垂直位置(即原子与显微镜物镜之间的距离)的信息。现在已经开发出一种新方法，可以通过一张图像确定原子的所有三个空间坐标。这种方法由波恩大学和布里斯托尔大学开发，基于巧妙的物理原理。该研究最近发表在专业期刊《物理评论 A》上。

任何在生物课上使用过显微镜研究过植物细胞的人都可能能够回忆起类似的情况。很容易看出某种叶绿体位于细胞核的上方和右侧。但两者是否位于同一平面上?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。

如果您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用于此目的。它允许您直接确定原子的 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，其中焦点在各个不同的平面上移动。这是一个复杂且耗时的过程。

将圆形斑点变成哑铃

“我们现在开发了一种方法，可以一步完成这一过程，”波恩大学应用物理研究所 (IAP) 的 Tangi Legrand 解释道。“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，首先必须将它们显着冷却，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，”安德里亚·阿尔贝蒂博士解释说。这位现已从 IAP 转到位于加兴的马克斯·普朗克量子光学研究所的研究人员也参与了这项研究。“变形波前在摄像机上产生哑铃形状，而不是典型的圆形斑点，它在自身周围旋转。该哑铃点的方向取决于光从原子到相机的距离。”

迪特·梅切德(Dieter Meschede)博士说：“因此，哑铃的作用类似于指南上的头，使我们可以根据其方向阅读Z协调。” 开展这项研究的 IAP 研究员也是波恩大学跨学科研究领域“Matter”的成员。

对于量子力学实验很重要

这种新方法使得用一张图像精确确定原子在三维空间中的位置成为可能。例如，如果您想用原子进行量子力学实验，这一点很重要，因为能够精确控制或跟踪它们的位置通常至关重要。这使得研究人员能够使原子以所需的方式相互作用。

此外，该方法还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 Carrie Weidner 博士解释道。“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。”