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麻省理工学院物理学家首次捕捉到单个原子在现实空间中自由相互作用的图像，揭示了“自由运动”粒子之间的关联，为科学家提供了将真实空间中未曾被看见过的量子现象可视化的新途径，有望助力未来量子设备设计。

　　美国麻省理工学院的物理学家首次捕捉到单个原子在现实空间中自由相互作用的图像，这一突破性发现揭示了“自由运动”粒子之间的神秘关联。这种关联此前仅为理论预测，却从未被科学界直接观察到。该研究成果于近日发表于权威期刊《物理评论快报》，为科学家提供了将真实空间中未曾被看见过的量子现象可视化的新途径。

　　单个原子的直径微小至极，约为十分之一纳米，数百万个原子才能勉强排满一根人类发丝的宽度。然而，与发丝截然不同的是，原子的行为和相互作用遵循着复杂的量子力学规律，这种量子特性使得原子行为变得难以捉摸。例如，根据量子力学的不确定性原理，人们无法同时精确知道一个原子的位置和运动速度。这种不确定性长期以来一直是科学家拍摄运动中原子的巨大障碍，尤其是在它们相互作用的关键时刻。

　　为了攻克这一科学难题，麻省理工学院的团队创新性地开发了“原子分辨显微术”。他们首先让一团原子在激光束形成的松散陷阱中自由相互作用；然后，通过突然打开一个光学晶格，有效地将原子“冻结”在原地；接着，利用第二束激光照亮这些悬浮的原子，精确显示它们的单个位置，并迅速拍摄下这一瞬间的快照。这一技术成功应用于直接观测玻色子和费米子之间的微妙量子相互作用。玻色子（如光子）之间倾向于相互吸引，而费米子（如电子）之间则相互排斥。这种差异在新技术拍摄的图像中得到了清晰直观的展示。

　　在低温实验条件下，研究团队观察到了倾向于相互吸引的玻色子在一团钠原子云中聚集在一起的奇异现象，形成了著名的玻色—爱因斯坦凝聚态。在这种特殊状态下，所有粒子共享同一量子态，这一发现证实了一个长期以来的理论预测，即玻色子的聚集现象是它们能够共享同一量子波的直接结果。

　　此外，团队还对由两种锂原子组成的云团进行了精细成像，成功拍摄到了这些相反自旋的费米子成对出现的现象，这一发现揭示了超导现象背后的关键机制，为理解超导材料提供了新的视角。

　　麻省理工学院的团队表示，以单原子分辨率对连续介质中的量子气体进行成像，不仅是一项重大的技术突破，更是一种解码物质最复杂相态的新“语言”。这项研究有望为设计未来的量子设备，包括高精度传感器、量子模拟器和量子计算机等，提供重要的科学支撑和理论基础。

（文章来源：科技日报）