Китайські фізики застосували оптичну мікроскопію на основі виснаженого основного стану до одиночного іону іттербію, спійманого в пастку. За допомогою цього методу вони змогли побачити розподіл цього іона в просторі, і також вивчити, як він коливається під дією зовнішньої періодичної сили. Дослідження опубліковано в.
Холодні квантові гази стали останніми роками однією з найпотужніших фізичних платформ для квантових симуляцій і вивчення нових квантових явищ. Наприклад, нещодавно з їх допомогою три різні групи експериментально підтвердили передбачений 30 років тому ефект блокування Паулі при розсіянні світла. Іншим тонким квантовим ефектом, виявленим у холодному атомному газі, стала фрагментація конденсату Бозе - Ейнштейна.
У всіх таких експериментах нагальною необхідністю стає візуалізація самих атомів. У межі йдеться про зображення одиночних атомів та іонів, і тут методи можуть залежати від типу пастки, в якій вони полонені. Також бажано отримати оптичне зображення частинки, хоча в цьому випадку завдання ускладнюється фундаментальним дифракційним обмеженням, пов'язаним з тим, що ми не можемо сфокусувати світло в точку, меншу, ніж довжина хвилі. Для боротьби з дифракційною межею було придумано кілька технік оптичної мікроскопії надвисокої роздільної здатності, однак на практиці вони застосовувалися в основному в умовах біологічного або хімічного експерименту.
Чжун-Хуа Цянь (Zhong-Hua Qian) з колегами з Науково-технічного університету Китаю застосували мікроскопію на основі виснаженого основного стану до одиночного іону 171Yb +. Їм вдалося візуалізувати частку з роздільною здатністю 175 нанометрів. Вони також показали, що таким методом можна спостерігати за тимчасовою еволюцією іона з кроком у 50 наносекунд.
Метод виснаження основного стану ґрунтується на ідеї про те, що атоми не будуть розсіювати падаюче на них світло, якщо на основному стані відповідного резонансного переходу більше не залишається електронів. Щоб цього домогтися, фізики створюють виснажливий промінь, чий профіль має форму кільця. Він збіднює атомні стани в околиці своєї середини, після чого флуоресцентні властивості зразка набувають точкову структуру субдифракційного розміру.
Автори адаптували цю ідею до вимірювання координати іона 171Yb +, замкненого в пастці Паулі, зв'язавши його флуоресцентні властивості зі спином ядра. Для отримання одного пікселя зображення фізики опромінювали частинку трьома лазерами. Перший поляризував надтонкий дуплет іона 2S1/2 в стан |F=0> (воно грало роль темного стану). Потім виснажливий лазер висвітлював область, в якій повинен був знаходитися іон. Чим вище ймовірність того, що іон може бути знайдений в середині кільця, тим вище шанс, що виснажуючий промінь його порушить, після чого той перейде в стан |F=1> (світлий стан). Нарешті, третій лазер був налаштований на збудження іона зі стану |F=1> на більш високі рівні з подальшим розсіюванням фотона. Відсутність цього сигналу свідчила про наявність іона в середині кільця.
Оскільки об'єктом дослідження був одиночний атом, для одного пікселя фізики повторювали цю послідовність 100 разів. Щоб йон не нагрівався, вони допплерівськи охолоджували його протягом однієї мілісекунди перед отриманням кожного пікселя. Аналізуючи отримані темні пікселі, автори відновлювали розподіл ймовірності зустріти частинку в просторі. Варіюючи потужність лазера і тривалість виснаження, вони досягли розподілу з шириною 175 нанометрів.
Озброївшись таким інструментом, фізики вивчили динаміку коливання іону в пастці під дією зовнішнього періодичного обурення. Для цього між першим і другим променями вони впливали на нього радіочастотним полем протягом 73 мікросекунд, після чого чекали деякий час і знімали зображення. Крок, з яким вчені могли змінювати цей час, визначала тривалість виснаження, яка становила 50 наносекунд. Побудовані в результаті залежності максимуму розподілу іона від часу для різних амплітуд поля мали синусоїдальний характер і дуже добре узгоджувалися з побудованими моделями коливання. Автори змогли виміряти амплітуду сили, що діє з боку поля на іон, і період коливання, які виявилися рівними 6.9 в 0.7 зептоньютон і 681.1 23.9 наносекунд, відповідно.
Це перше дослідження, де в оптичний мікроскоп вдалося простежити за рухом окремого атома з такою просторово-тимчасовою роздільною здатністю, хоча сама по собі представлена техніка вже використовувалася іншою групою фізиків, щоб розгледіти розподіл іону кальцію, також спійманого в пастку. Там розмір хвильового пакета дорівнював кільком десяткам нанометрів. Іншим підходом до подолання дифракційної межі оптичними методами стала флуоресцентна мікроскопія. Ми вже розповідали, як з її допомогою побачили квантові точки з роздільною здатністю 30 нанометрів.