中国科大实现单离子超分辨成像

中国科学技术大学郭光灿院士团队在冷原子超分辨成像研究中取得重要进展。该团队李传锋、黄运锋、崔金明等人在离子阱系统中实现了单个离子的超分辨成像，该成果12月23日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。

冷原子系统，包括离子阱中囚禁的离子和光场中囚禁的原子等，是研究量子物理的理想实验平台，也是进行量子模拟、量子计算和量子精密测量实验研究的重要物理系统。冷原子系统中的核心实验技术之一是高分辨单粒子成像。近十年来，冷原子系统的显微成像技术飞速发展，涌现出了量子气体显微镜、光镊原子阵列、高分辨率囚禁离子成像等先进技术。然而这些技术仍受限于基本的光学衍射极限，分辨率只能达到光学波长量级，难以用于研究波函数细节相关的量子现象，研究这类问题需要光学超分辨成像。

众所周知，光学超分辨成像已经在化学和生物领域发展成为成熟的工具，并由此导致了2014年的诺贝尔化学奖。然而由于冷原子实验的复杂性，将超分辨成像技术应用于冷原子系统极具挑战。此前国际上对单原子（离子）直接的超分辨成像尚未取得进展。

在本实验中，研究团队借鉴经典成像领域的受激耗尽超分辨成像方法(STED),结合冷原子系统的原子量子态初始化和读取技术，首次在离子阱中实现了单个冷原子（离子）的超分辨成像。实验结果表明该成像方法的空间分辨率可超越衍射极限一个量级以上，利用数值孔径仅为0.1的物镜即可实现175 nm的成像分辨率。为了进一步展示该方法的时间分辨率优势，研究团队同时实现了50 ns的时间分辨率和10 nm的单离子定位精度，并利用该方法清晰地拍摄了囚禁离子在离子阱中的快速简谐震荡。理论上，通过增加成像物镜的数值孔径和耗尽光（面包圈光斑）的中心消光比，可进一步将空间分辨率提高至10nm以下。

图1. 单离子超分辨成像。（a）单离子荧光成像，（b）利用离子作为探针测量的耗尽光模式，（c）单离子超分辨成像结果，(d-e)成像分辨率与耗尽光强和耗尽时间的关系，（f）单离子荧光成像（FM）与超分辨成像（GSD）分辨率对比。

图2. 超分辨成像方法应用于离子动力学测量。（a）采用电信号激励离子y方向简谐运动，（b）成像时许，（c）对运动离子不同时刻的成像，拟合像斑中心（蓝色十字）可以清晰观测y方向的简谐振动。（d）不同激励电压的离子运动轨迹。

本项实验技术可扩展到冷原子系统的多体和关联测量，并且对其他冷原子系统也具有很好的兼容性，可应用于光晶格、中性原子光镊以及冷原子-离子混合系统等。审稿人高度评价该工作：“清晰地展现了迈向单原子量子运动态的直接动力学测量的重要一步，并在多体纠缠系统具有应用前景”；“本工作的提出和实现，填补了此前缺失的精密测量原子位置的重要工具，有潜力对高频运动的单个运动量子实现空间分辨”。

论文的共同第一作者是中科院量子信息重点实验室的钱忠华博士和崔金明副研究员。该研究得到了科技部，国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.263603