美国天体物理联合实验室发现观察量子世界的新手段学术资讯

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▲利用JILA的新成像技术制成的艺术品，这一技术能够快速精确地测量原子钟内的量子行为。

据物理学网3月5日报道，美国天体物理联合实验室（JILA）的科学家们发明了一种新的成像技术，它能够在原子钟内快速精确地对量子行为进行测量，而这种测量方式称得上是一种近乎于即时的视觉艺术手法。这项技术利用光谱学原理通过高分辨率显微镜，从光与物质的相互作用中提取信息。正如《物理评论快报》所描述的那样，该方法让三维锶晶格原子钟内的原子能量转换形成空间映射，从而获得关于每个原子位置和能级或者量子态的信息。

这一技术手段能迅速地测量对原子钟来说意义重大的物理效应，从而提高原子钟的精度，并为磁性和超导等现象在原子层面上的研究增添新的素材与细节。在未来，这种方法可能会让科学家最终观察到一些全新的物理现象，比如那些存在于量子物理学和重力学之间交叉领域的物理效应。

“这项技术让我们能够利用激光和原子谱写一曲优美动听的‘音乐’，然后把这段‘音乐’映射到一个物理结构当中，让它像冰一样凝固住，这样我们就可以直接在图像中观察单个原子与不同“音调”的激光是如何相互作用的。”研究员叶军（Jun Ye, 音译）介绍道。

到目前为止，这一手段已经被用于生成二维图像，并且通过抓取每一层的测量数据，它也能生成三维图像，如同在X射线层析成像术将实体物体的多个横截面结合起来成像一样。

在这个过程中，成像光谱技术能够提供有关原子的局部环境信息，其作用类似于扫描隧道显微镜所提供的极高分辨率。在未来，成像光谱学有望大大提高JILA的原子钟和其它所有原子钟的精度。

作为一种人造晶体，原子的晶格也可以用来作为磁性或重力传感器以测试不同物理场之间的相互作用。让叶军最为激动的是原子钟中的原子作为重力传感器的应用，它可以让科学家一窥量子力学是如何在非常微小的空间尺度上与广义相对论、引力理论以及宏观力学相互作用的。

“二十年后的原子钟将会越来越先进，这块小小的晶体到时不仅可以映射出重力是如何影响频率的，而且还可以让我们开始观察到重力和量子力学的相互作用。这种物理效应迄今为止还没有任何实验探测器能够测量。而我们的这一成像技术可能会成为实现这一目标的一个非常重要的工具。”叶军展望道。

美国天体物理联合实验室（JILA）是一个由美国国家标准与技术研究所（NIST）和美国科罗拉多大学博尔德分校共同创建并联合运营的研究机构，它的研究范围涵盖了从超低温原子和分子的特性，到精密光学和激光仪器的设计，再到影响恒星和星系形成的物理过程等诸多领域。

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编译：朱明逸审稿：阿淼编辑：张梦

来源：https://phys.org/news/2018-03-team-quantum-world.html