Imágenes súper resueltas de un solo átomo frío en una escala de tiempo de nanosegundos
Los científicos han realizado importantes avances en la investigación de la imagen de superresolución de átomos fríos
El equipo del académico GUO Guangcan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) de la Academia China de Ciencias ha realizado importantes avances en la investigación de la imagen de superresolución de átomos fríos. El equipo ha conseguido imágenes de superresolución de un solo ion en un sistema de trampa de iones. Los resultados se han publicado en Physical Review Letters.
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El sistema de átomos fríos es una plataforma experimental ideal para el estudio de la física cuántica, así como un importante sistema físico para la investigación experimental de la simulación cuántica, la computación cuántica y la medición cuántica de precisión. Una de las principales técnicas experimentales del sistema de átomos fríos es la obtención de imágenes de alta resolución de una sola partícula. En los últimos diez años, la tecnología de imágenes microscópicas del sistema de átomos fríos se ha desarrollado rápidamente. Sin embargo, las tecnologías recientemente desarrolladas siguen estando limitadas por el límite fundamental de difracción óptica, y la resolución sólo puede alcanzar el orden de la longitud de onda óptica. Es difícil estudiar los fenómenos cuánticos relacionados con los detalles de la función de onda. El estudio de estos problemas requiere la obtención de imágenes de superresolución óptica.
La imagen de superresolución óptica se ha convertido en una herramienta madura en los campos de la química y la biología. Sin embargo, debido a la complejidad de los experimentos con átomos fríos, es extremadamente difícil aplicar la tecnología de imágenes de superresolución a los sistemas de átomos fríos. Hasta ahora no se había avanzado en la obtención directa de imágenes de superresolución de átomos individuales (iones).
En este estudio, los investigadores adoptaron la idea principal de la microscopía de agotamiento de la emisión estimulada (STED) en el campo de la imagen de superresolución clásica, y la combinaron con la tecnología de inicialización y lectura del estado cuántico atómico del sistema de átomos fríos. Por primera vez, han logrado obtener imágenes con superresolución de un solo átomo frío (ion).
Los resultados experimentales mostraron que la resolución espacial del método de obtención de imágenes puede superar el límite de difracción en más de un orden, y la resolución de imágenes de 175 nm puede lograrse utilizando una lente objetivo con una apertura numérica de sólo 0,1.
Para demostrar aún más la ventaja de la resolución temporal de este método, los investigadores lograron tanto una resolución temporal de 50 ns como una precisión de posicionamiento de un solo ion de 10 nm, y utilizaron este método para capturar claramente las rápidas oscilaciones armónicas del ion en la trampa. Teóricamente, aumentando la apertura numérica del objetivo de imagen y la relación de extinción del centro de la luz agotada (el punto de la rosquilla), la resolución espacial puede mejorarse aún más hasta situarse por debajo de los 10 nm.
Esta técnica experimental puede extenderse a la medición multicuerpo y de correlación de los sistemas de átomos fríos, y tiene una buena compatibilidad con otros sistemas de átomos fríos. Puede aplicarse a redes ópticas, pinzas ópticas de átomos neutros y sistemas híbridos de átomos fríos.
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