L’équipe de l’académicien GUO Guangcan de l’Université des Sciences et Technologies de Chine (USTC) de l’Académie des Sciences de Chine a fait des progrès importants dans la recherche sur les atomes froids. atome froid imagerie à super-résolution. L’équipe a réalisé l’imagerie à super-résolution d’un seul ion dans un système de piège à ions. Les résultats ont été publiés dans Physical Review Letters.
Le système d’atomes froids est une plate-forme expérimentale idéale pour étudier la physique quantique, ainsi qu’un système physique important pour la recherche expérimentale sur la simulation quantique, l’informatique quantiqueet les mesures quantiques de précision. L’une des principales techniques expérimentales dans le système d’atomes froids est l’imagerie haute résolution de particules uniques. Au cours des dix dernières années, la technologie d’imagerie microscopique du système d’atomes froids s’est développée rapidement. Cependant, les technologies récemment développées sont toujours limitées par la limite fondamentale de diffraction optique, et la résolution ne peut atteindre que l’ordre de la longueur d’onde optique. Il est difficile d’étudier les phénomènes quantiques liés aux détails de la fonction d’onde. L’étude de tels problèmes nécessite une imagerie optique à super-résolution.
L’imagerie optique à super-résolution est devenue un outil mature dans les domaines de la chimie et de la biologie. Cependant, en raison de la complexité des expériences sur les atomes froids, il est extrêmement difficile d’appliquer la technologie d’imagerie à super-résolution aux systèmes d’atomes froids. Avant cela, le monde n’a pas encore fait de progrès dans l’imagerie directe à super-résolution d’atomes (ions) uniques.
Dans cette étude, les chercheurs ont adopté l’idée principale de la microscopie à appauvrissement par émission stimulée (STED) dans le domaine de l’imagerie à super-résolution classique, et l’ont combinée avec la technologie d’initialisation et de lecture de l’état quantique atomique du système d’atomes froids. Ils ont réalisé l’imagerie super-résolue d’un seul atome (ion) froid directement pour la première fois.
Les résultats expérimentaux ont montré que la résolution spatiale de la méthode d’imagerie peut dépasser la limite de diffraction de plus d’un ordre, et que la résolution d’imagerie de 175 nm peut être atteinte en utilisant une lentille d’objectif avec une ouverture numérique de seulement 0,1.
Pour démontrer davantage l’avantage de cette méthode en termes de résolution temporelle, les chercheurs ont obtenu une résolution temporelle de 50 ns et le positionnement d’un seul ion. précision de 10 nm, et ont utilisé cette méthode pour capturer clairement les oscillations harmoniques rapides de l’ion dans le piège. Théoriquement, en augmentant l’ouverture numérique de l’objectif d’imagerie et le taux d’extinction central de la lumière appauvrie (la tache en forme de beignet), la résolution spatiale peut être encore améliorée à moins de 10 nm.
Cette technique expérimentale peut être étendue aux mesures multi-corps et de corrélation des systèmes d’atomes froids, et présente une bonne compatibilité avec d’autres systèmes d’atomes froids. Elle peut être appliquée aux réseaux optiques, aux pinces optiques d’atomes neutres et aux systèmes hybrides atome froid-ion.
Référence : “Super-resolved Imaging of a Single Cold Atom on a Nanosecond Timescale” par Zhong-Hua Qian, Jin-Ming Cui, Xi-Wang Luo, Yong-Xiang Zheng, Yun-Feng Huang, Ming-Zhong Ai, Ran He, Chuan-Feng Li et Guang-Can Guo, 23 décembre 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.263603
