量子氣體顯微成像技術是冷原子研究科學中的重大突破,在此技術中,科學家們將大量的冷原子裝載在光晶格中,利用拉曼躍遷冷卻或者電磁感應透明冷卻機制,通過高品質顯微鏡鏡頭探測光晶格格點中原子受激發(fā)射的熒光光子,來精確獲得玻色或者費米原子在光晶格中的位置,實現(xiàn)對單個原子的顯微成像。由于光晶格參數(shù)可通過光場精確調控,因而這種量子氣體單點成像的精度遠優(yōu)于光波波長。
在這套系統(tǒng)中,由于在每個光晶格中只有一個原子,因此可以用于研究原子的各種量子性質;進一步的,原子可以在光晶格中發(fā)生隧穿效應,與相鄰的原子發(fā)生相互作用。此套系統(tǒng)作為量子模擬器開展其他重要科學問題的研究:多體相關的 Hubbard 模型,量子相變,玻色-愛因斯坦凝聚,玻色子超流,多體自旋動力學。


圖1 量子氣體顯微鏡拍下光晶格中的單個原子的熒光圖像:a)玻色子 87Rb 原子,b)費米子 40K 原子
早在 2005 年,哈佛大學的 Waseem S. Bakr(目前在普林斯頓大學)使用量子氣體顯微成像系統(tǒng)實現(xiàn)了對加載光晶格中的 87Rb 原子成像1,如圖1,圖中的每個綠點表征著一個 87Rb 原子;2015 年英國斯特拉斯克萊德大學的 Stefan Kuhr 通過類似的系統(tǒng)實現(xiàn)了對費米子 40K 原子的成像2。

圖2 量子氣體顯微系統(tǒng)示意圖
在量子氣體顯微成像系統(tǒng)中,裝載于光晶格中原子吸收激發(fā)光能量發(fā)生躍遷,通過受激輻射,發(fā)出光子(比激發(fā)光即吸收光的頻率稍高),主要就使得原子的量子能態(tài)會降到另外一個能量較低的振動能級。這樣就可以通過格點上原子的循環(huán)受激輻射,實現(xiàn)該格點原子的冷卻,另一方面其輻射的熒光精確反應了格點的位置,這樣就可以通過高精度顯微鏡實現(xiàn)原子的成像。
在具體實驗中,原子發(fā)出的光子發(fā)出的方向是沒有辦法控制的,但是成像系統(tǒng)只能在一個方向上收集發(fā)出的光子進行成像,如圖 2,并且鏡頭的工作距離又決定了其數(shù)值孔徑不可能太大(實際上文獻中報道的,鏡頭的數(shù)值孔徑大多不超過 0.8),因此對成像相機的靈敏度要求就很高。

在上面的兩個文獻中使用的光學成像相機都不約而同的選擇了牛津儀器 Andor Technology 生產的 iXon EMCCD 相機,這得益于這款相機的超高靈敏度、超低讀出噪聲、高速成像的特性。EMCCD 依靠電子倍增放大采集的光學信號,其探測靈敏度達到單光子級別,早已經在包括冷原子成像等各種弱信號的探測與成像應用中大放異彩。
iXon EMCCD 相機的主要參數(shù)有:
像元尺寸 13um @ 1024*1024
靈敏度:最大量子效率>95%,單光子級別靈敏度
成像速度:26fps @ 全幅,93fps @ 512*512,697 @ 128*128
制冷溫度: -95℃
1-1000真實線性電子倍增增益
讀出噪音:<1e-@EM增益;暗電流@-80℃:0.00025e-/pix/s
參考文獻
1. A quantum gas microscope – detecting single atoms in a Hubbard regime optical lattice, Waseem S. Bakr, Jonathon I. Gillen, Amy Peng, Simon F?lling, Markus Greiner,Nature,2009,462:74-77原文鏈接:《量子氣體單位點顯微成像》
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