直擊光晶格中的超冷原子
- 上線日期：2010/9/10 上午 12:00:00
- 資料來源：奈米科學網
德國物理學家利用螢光造影，首度在光晶格(Optical lattice)中辨識出一個個的粒子的影像。這項突破讓研究人員得以利用光晶格捕捉術進一步地模擬量子現象，或許有助於實現量子計算之夢。
光晶格指的是利用叉錯的雷射光所構成的能量井陣列，若在能量井中注入超冷原子，可以用來研究多種材料，它們也能用來製作量子系統的大尺度複製品。普朗克量子光學研究所的Stefan Kuhr、Immanuel Bloch以及在Ludwig-Maximilians大學的合伙伴製造出一個光晶格，並將數千個銣(Rb)原子冷卻至接近絕對零度，使其形成玻色-愛因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate, BEC)，並置入光晶格中。
BEC是由具整數自旋的原子冷卻至所有原子皆處於相同能態所組成的原子團，整團原子可以用單一量子粒子波函數來描述。光晶格中有許多亮暗區域，由於能階的關係，銣原子喜歡待在暗區，若要跳躍至鄰近晶格位置必需先克服極高的位障，這個情況類似固體中的傳導電子因為與原子有強烈交互作用被而被侷限住，因此被稱為Mott絕緣體。
根據理論，對於光晶格中的BEC，各晶格點中的原子數目會因原子的遊走而變動，然而一旦形成Mott絕緣體，各晶格點的原子數目便會固定下來且排列整齊。以往要判定系統是處於Mott絕緣體或BEC，得透過飛行時間法(time-of-flight)間接觀察，Kuhr等人是第一個以實驗直接觀測的團隊。
實驗的關鍵在於將雷射脈衝打入光晶格中的原子團，並以空間高解析度顯微鏡觀測原子團冷卻時發出的螢光；他們還可以計數各晶格點的原子數，這點對於發展量子電腦中的量子暫存器是(quantum register)相當重要。此外，如果能精準調控結構中的個別原子，每個晶格點只有一個原子的Mott絕緣體將可做為擁有數百個量子位元的暫存器。Kuhr團隊正在籌備這方面的實驗。
這項研究不僅與量子電腦的發展相關，也能協助凝態物理發展基礎模型，因為原子在光晶格中的行為與電子在固體晶格中類似，因此也能用來研究如高溫超導等具有特殊電性與磁性的材料。詳見Nature 467 , p.68–72 (2010)。
原始網站: http://physicsworld.com/cws/article/news/43532
譯者:劉翼綱(彰化師範大學物理系)
責任編輯:蔡雅芝
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