設(shè)想一個(gè)圍棋棋盤，在它縱橫線的361個(gè)交點(diǎn)位置，我們制作一個(gè)個(gè)凹坑。然后，在棋盤上撒上外形相同的綠豆。為要記錄哪些凹坑被占，哪些未被占，最好的辦法就是拍一張照片。這里所要報(bào)道的新型顯微鏡觀察，所涉及的是大約1000個(gè)超冷費(fèi)米原子。多束激光對(duì)射，因干涉形成光學(xué)晶格，每個(gè)格點(diǎn)相當(dāng)于一個(gè)原子勢(shì)阱，類似于上述棋盤上交叉點(diǎn)位置的凹坑。

　　最近，用于對(duì)超冷鉀-40原子拍照的顯微成像裝置，已經(jīng)由美國麻省理工學(xué)院的一個(gè)物理學(xué)家小組開發(fā)成功。研究小組利用激光束，捕獲鉀原子云于光學(xué)晶格，然后在冷卻原子的同時(shí)，完成原子位置的成像 。新技術(shù)使研究人員能夠清楚地分辨單個(gè)費(fèi)米原子，直接觀察它們之間的磁相互作用，甚至探測(cè)系綜內(nèi)的糾纏。

　　費(fèi)米子特指一類粒子，它們具有半整數(shù)的自旋。 進(jìn)而，受到泡利不相容原理的限制，沒有兩個(gè)全同的費(fèi)米子可以同時(shí)占據(jù)單一量子態(tài)。費(fèi)米子包含許多種基本粒子——夸克，電子，質(zhì)子和中子等 。另外，它也可以是費(fèi)米原子，即電子，質(zhì)子和中子的總數(shù)為奇數(shù)的原子。結(jié)果，費(fèi)米子的集體行為對(duì)周期表中的元素結(jié)構(gòu)，以及高溫超導(dǎo)體，超巨磁電阻材料，核物質(zhì)特性等等，負(fù)有責(zé)任。盡管它們的重要性，迄今我們?nèi)匀粵]有一個(gè)強(qiáng)相互作用費(fèi)米粒子系統(tǒng)的完整圖像 ，其原因在于它們很難被成像并加以研究。

　　研究人員已經(jīng)研究了超冷玻色原子，即電子，質(zhì)子和中子的總數(shù)為偶數(shù)的原子。玻色原子具有整數(shù)總自旋，它們可以同時(shí)占據(jù)單一量子態(tài)。具體說，冷卻玻色原子云到接近絕對(duì)零度的超低溫，形成所謂玻色-愛因斯坦凝聚 ，然后可以研究玻色原子之間的相互作用。

　　但是，對(duì)費(fèi)米原子子做同樣的事是不容易的，不相容原理不允許兩費(fèi)米原子處于完全相同的量子態(tài) 。因此，隨著越來越多的費(fèi)米子被添加到一個(gè)系統(tǒng)，每一個(gè)都被迫登上越來越高的能量臺(tái)階，這使系統(tǒng)冷卻很棘手。此外，超冷原子很容易受到單個(gè)光子的干擾，因此難以長時(shí)間地限定費(fèi)米原子的位置，難以獲得清晰的圖像 。

　　拉曼躍遷冷卻

　　為了繞過上述問題，Lawrence Cheuk, Martin Zwierlein和麻省理工學(xué)院的同事們，已經(jīng)開發(fā)出一種顯微鏡技術(shù) ，為超冷費(fèi)米原子成像。他們使用一組激光，同時(shí)完成冷卻原子和原子成像兩項(xiàng)任務(wù)。使用標(biāo)準(zhǔn)的方法(包括激光冷卻，磁捕獲和原子氣的蒸發(fā)冷卻)，所有費(fèi)米原子被冷卻到十分接近絕對(duì)零度。在這一時(shí)間點(diǎn)，原子被裝入光學(xué)晶格勢(shì)阱，于是阻止了相鄰費(fèi)米原子之間的任何接觸，以及相互作用 。

　　光學(xué)晶格由縱橫交錯(cuò)的激光束干涉構(gòu)成，距離顯微鏡的成像透鏡僅僅7μm。費(fèi)米原子困在光學(xué)晶格的阱中，就像“綠豆”撒在帶凹坑的“棋盤”上。

　　處于光學(xué)晶格中的一個(gè)個(gè)超冷鉀-40原子

　　接下來，通過使用雙激光束(每一束具有不同的波長)，這些原子被進(jìn)一步冷卻。這種方法利用了拉曼躍遷：特定原子吸收一個(gè)光子，然后立即受激發(fā)射出另一個(gè)頻率稍高的光子 。在這個(gè)過程中，由于吸收光子與發(fā)射光子頻率不同，原子的能態(tài)下跌一個(gè)振動(dòng)能級(jí)。在顯微成像過程中，每一個(gè)原子的位置的確定，要看相應(yīng)受激發(fā)射的光子來自哪一個(gè)格點(diǎn)。某格點(diǎn)有受激發(fā)射，則意味著該格點(diǎn)原子的冷卻。這些受激發(fā)射光子由顯微鏡鏡頭接收，結(jié)果研究組得以探測(cè)費(fèi)米原子在光學(xué)晶格中的確切位置，其精度優(yōu)于光波波長。

　　使用這種方法，Zwierlein和他的同事們得以冷卻95%以上裝入的鉀-40氣體云原子，進(jìn)而成像 。團(tuán)隊(duì)驚訝地發(fā)現(xiàn)，即使在成像完成之后，費(fèi)米原子仍然很冷。Zwierlein表示：這意味著，我知道一個(gè)個(gè)鉀-40原子在哪里，或許可能使用“朱棣文光學(xué)小鑷子”移動(dòng)它們到任何位置，并安排它們形成任何我喜歡的花樣。

　　為了確保他們的實(shí)驗(yàn)沒有遭受任何光輔助損失，研究人員觀察原子在接續(xù)的圖像之間位置如何變化，觀察原子分布于晶格的統(tǒng)計(jì)學(xué)。該研究小組發(fā)現(xiàn)，成像過程沒有損失明顯數(shù)量的原子。

　　應(yīng)用前景——冷原子工具箱

　　Chad Orzel，美國大學(xué)聯(lián)盟的物理學(xué)家，他沒有參與該項(xiàng)工作。他認(rèn)為，研究成果令人印象深刻，因?yàn)樗_辟了利用費(fèi)米原子構(gòu)建起一系列凝聚態(tài)物質(zhì)模擬物的可能性 。他說，如果你觀察光晶格中玻色子的行為，這便是超導(dǎo)體的類似物;在超導(dǎo)體中電子配對(duì)之后，行為就像玻色子;但晶格中的費(fèi)米原子系統(tǒng)，更像是一個(gè)正常導(dǎo)體，其中電子受到泡利不相容原理的限制，你可以看到其他的有趣的行為;你可以同時(shí)考慮使用光場(chǎng)，以一種有趣的方式操控原子之間的相互作用，監(jiān)視粒子如何走動(dòng)。

　　Chad Orzel告訴physicsworld.com: Zwierlein的工作是對(duì)冷原子實(shí)驗(yàn)工具箱的一個(gè)很好的補(bǔ)充;因?yàn)樵颖┞队谕哥R直接成像，你擁有各種改變參數(shù)的自由，無需做整個(gè)新的樣品。