研究人员利用激光技术困住费米子并拍摄粒子图像

麻省理工学院的物理学家们发明了一种可以看到多达1000单独费米子的显微镜。研究人员设计了一种基于激光技术，冻结并困住费米子并拍摄粒子图像。

费米子包括有电子，质子，中子，夸克等核子组成的奇数的基本粒子——物质的构成是在众多粒子交互排列形成了各种元素。因为他们的费米特性，电子和核物质在理论上很难理解，所以研究人员尝试使用超冷气体冷冻费米子原子。但费米子的单独成像几乎是不可能的，因为他们对光线非常敏感，当一个光子撞击一个原子，粒子的位置会改变。

为了避免这些问题，新的成像技术使用了两束激光束对准晶格中的费米子原子云。两束不同的波长的光，冷冻原子云，降低费米子能级，最终达到基态。同时，每个费米子释放光，被显微镜捕捉到，拍摄到费米子的确切位置。

研究人员用这项新技术能够冷冻并拍摄超过95%的费米子。Martin Zwierlein，麻省理工学院物理学教授说还有一个有趣的现象，费米子拍完后还处于冷冻状态。

“这意味着我知道他们在那里，我可以用一个小镊子将它们移动到任何位置，并安排他们在任何模式我想。”Zwierlein说。研究结果发表在《物理评论快报》上。

在过去的二十年里，实验物理学家研究超冷原子气体的两类粒子：费米子和玻色子，例如光子与费米子不同的是，可以在无限地占据相同的量子态。2010年，一个玻色子显微镜被麦克斯·普朗克量子光学研究所开发出来，用来揭示在强相互作用下玻色子的行为。然而，还没有人发明了一种类似费密子显微镜。

冷却原子到绝对零度的技术已经计划了几十年。在1995年，康奈尔的Carl Wieman和麻省理工的Wolfgang Ketterle实现了玻色-爱因斯坦凝聚，被授予2001年诺贝尔物理学奖。其他技术包括使用激光冷却原子，从300摄氏度到接近绝对零度。

然而，观察单独的费米子需要进一步冷却。要做到这一点，Zwierlein团队创建了一种光学晶格，像一个盒子样的结构，每个都可能困住一个费米子。通过激光冷却，磁捕捉，进一步蒸发冷却气体等不同阶段，得到略高于绝对零度——足够使费米子进入光学晶格中。

他的团队决定使用双激光方法进一步冷却原子；操纵原子的特定的能量水平或振动能量。团队用两束不同频率的激光照射晶格。频率的差异与费米子的能级一致。因此，当双光束射向费米子，粒子会吸收较小的频率，并从较大的频率发出光子，反过来降低一个能级，稳定状态。晶格上的镜头收集发射光子，记录其精确位置。

“费米气体的显微镜，和随意摆弄原子位置的能力，可能是实现费米量子计算机的重要一步，”Zwierlein说。“有人会利用同样的复杂量子规则，妨碍我们对电子系统的理解。”

Zwierlein说，这是一个很好的时机：大约在同一时间，他的团队首先公布了结果，来自哈佛大学和斯特拉斯克莱德大学的团队在格拉斯哥也发表了费密子在光晶格图像，指出这种显微镜的美好未来。

这项研究的部分资金由美国国家科学基金会，美国空军科学研究办公室，美国海军研究办公室，陆军研究办公室，戴维和露西尔帕卡德基金会提供。