十多年前，量子气体显微镜的出现，使科学家能够精确地测量单个原子的位置。然而，到目前为止，这种方法在很大程度上仅限于在二维空间上进行模拟研究。换言之，它只能提供原子在水平位置的X坐标和Y坐标，无法提供原子在垂直方向（Z轴）上的信息。
若想更有效地操纵原子，知道原子的确切位置是非常必要的。但是，测量原子的垂直深度却异常困难。现在在一项新发表于《物理评论A》杂志的研究中，一组物理学家基于一种巧妙的物理学原理，开发出一种新方法，可以仅用一张图像，就确定原子在三个空间维度上的所有坐标。
把圆点变成哑铃
任何在生物课上使用过显微镜来研究植物细胞的人或许都会有类似的经历：要判断一个叶绿体和细胞核的平面位置，是相对容易的。但是，一旦调整显微镜的焦距，就有可能发现，细胞核的图像变得更清晰，但叶绿体的图像则变得模糊了。这意味着，这二者之间，必定有一个高于另一个。然而，这种传统的成像方法并不能精确地给出它们在垂直方向上的位置细节。
对单个原子进行观测时，也存在与观测细胞时相似的困境。量子气体显微镜可以直接给出原子的平面坐标。但是，若要测量它们在垂直方向的位置，即原子到物镜的距离，则要困难得多。过去，为了测得原子处于哪个平面，就必须拍摄多张图像，这些图像的焦点需要在不同的平面上移动。显然，这是一个复杂且耗时的过程。
在新的研究中，一组物理学家开发了一种新的方法，可以一步到位完成这个过程。
为了在原子上进行实验，研究人员首先对原子进行了冷却，使它们几乎保持不动。然后，这些原子就可以被激光驻波所捕获。原子会滑进波谷，就像鸡蛋被放置在鸡蛋盒的凹槽里一样。
一旦原子被“困”在波谷，研究人员就会将它们暴露在另一束激光下，以此来显示它们的位置。这束激光会激发它们发射光。在量子气体显微镜下，由此产生的荧光信号会显示为一个稍微模糊的圆形光斑。
在新的研究中，研究人员发展了一种特殊的方法来改变原子发出的光的波形，使荧光信号在到达相机之前，先通过一个空间光调制器。这个调制器会在荧光信号上“印”上一个结构化的相位模式，从而延长了量子气体显微镜的点扩散函数。
如此一来，不同于典型的圆形光斑，变形的波形在相机上产生了一个绕自身旋转的哑铃形状，而这个哑铃所指的方向取决于光从原子到相机的距离。哑铃的作用类似于指南针上的指针，物理学家可以根据它的方向读出Z方向的坐标。
由量子气体显微镜产生的原子图像通常是一个圆的、稍微模糊的斑点。这张图显示了研究人员将其畸变成哑铃形状的理论预测图，哑铃指向的方向与它在Z方向的坐标有关。（图/IAP/Uni Bonn）
对量子力学实验很重要
这种新方法使得仅凭一张图像就精确地确定原子在三维空间中的位置成为可能。这是一项很重要的突破，它在物理学研究上具有很多应用，例如在用原子进行量子力学实验时，能够精确控制或追踪原子的位置通常是必不可少的。因此，这项技术能使物理学家让原子以期望的方式相互作用。
原子在真实的量子气体显微镜下的样子，这些哑铃的各种不同的旋转方向，表明了原子所位于的不同平面。（图/IAP/Uni Bonn）
此外，这个方法还可以用于开发具有特殊特性的新量子材料。例如，物理学家可以研究当原子按一定顺序排列时，会出现哪些量子力学效应。这将促使物理学家得以在某种程度上模拟三维材料的特性，而不必真正合成它们。
#创作团队：
编译：小雨
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.uni-bonn.de/en/news/050-2024
https://physics.aps.org/articles/v17/s26
https://journals.aps.org/pra/abstract/10.1103/PhysRevA.109.033304
#图片来源：
封面图&首图：IAP/Uni Bonn