Superaufgelöste Abbildung eines einzelnen kalten Atoms auf einer Nanosekunden-Zeitskala

Das Team von Akademiemitglied GUO Guangcan von der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften hat wichtige Fortschritte bei der Erforschung der superauflösenden Abbildung kalter Atome erzielt. Dem Team gelang die superauflösende Abbildung eines einzelnen Ions in einem Ionenfallen-System. Die Ergebnisse wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.

Das System der kalten Atome ist eine ideale experimentelle Plattform für die Untersuchung der Quantenphysik und ein wichtiges physikalisches System für die experimentelle Forschung im Bereich der Quantensimulation, des Quantencomputers und der Quantenpräzisionsmessung. Eine der wichtigsten experimentellen Techniken im kalten Atomsystem ist die hochauflösende Einzelteilchenabbildung. In den letzten zehn Jahren hat sich die mikroskopische Bildgebungstechnologie des kalten Atomsystems rasant entwickelt. Allerdings sind die neu entwickelten Technologien immer noch durch die fundamentale optische Beugungsgrenze begrenzt, und die Auflösung kann nur die Größenordnung einer optischen Wellenlänge erreichen. Es ist schwierig, Quantenphänomene im Zusammenhang mit den Details der Wellenfunktion zu untersuchen. Für die Untersuchung solcher Probleme ist die optische Superauflösung erforderlich.

Die optische Superauflösungs-Bildgebung hat sich zu einem ausgereiften Instrument in den Bereichen Chemie und Biologie entwickelt. Aufgrund der Komplexität von Experimenten mit kalten Atomen ist es jedoch äußerst schwierig, die Superresolution-Imaging-Technologie auf kalte Atomsysteme anzuwenden. Bislang wurden weltweit noch keine Fortschritte bei der direkten superauflösenden Abbildung einzelner Atome (Ionen) erzielt.

In dieser Studie übernahmen die Forscher die Grundidee der Stimulated Emission Depletion (STED)-Mikroskopie aus dem Bereich der klassischen superauflösenden Bildgebung und kombinierten sie mit der Technologie der Initialisierung und des Auslesens atomarer Quantenzustände des kalten Atomsystems. Sie realisierten zum ersten Mal die superaufgelöste Abbildung eines einzelnen kalten Atoms (Ions) direkt.

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die räumliche Auflösung der Bildgebungsmethode die Beugungsgrenze um mehr als eine Größenordnung überschreiten kann, und dass die Bildauflösung von 175 nm mit einem Objektiv mit einer numerischen Apertur von nur 0,1 erreicht werden kann.

Um den Vorteil der Zeitauflösung dieser Methode weiter zu demonstrieren, erreichten die Forscher sowohl eine Zeitauflösung von 50 ns als auch eine Positionierungsgenauigkeit des einzelnen Ions von 10 nm und nutzten diese Methode, um die schnellen harmonischen Oszillationen des Ions in der Falle deutlich zu erfassen. Theoretisch kann die räumliche Auflösung durch Vergrößerung der numerischen Apertur des abbildenden Objektivs und des mittleren Extinktionsverhältnisses des abgereicherten Lichts (des Doughnut-Spots) weiter auf unter 10 nm verbessert werden.

Diese experimentelle Technik kann auf Mehrkörper- und Korrelationsmessungen von kalten Atomsystemen ausgedehnt werden und ist gut mit anderen kalten Atomsystemen kompatibel. Sie kann bei optischen Gittern, optischen Pinzetten für neutrale Atome und Hybridsystemen aus kalten Atomen und Ionen eingesetzt werden.