一部分實驗裝置

由Francesca Ferlaino領導的研究小組首次用光學鑷子捕獲了單個鉺原子，為原子物理學樹立了新的里程碑。鉺的復雜電子結構開辟了新的自由度和可能性，這一進展為量子科學的一系列創新實驗打開了大門。這項研究發表在《物理評論快報》上。

這項成果為研究具有多個價電子的元素提供了一種開創性的方法——這一領域以前主要由具有一個或兩個價電子的簡單原子主導。擁有 14 個價電子的鉺引入了新的自由度，為量子實驗帶來了令人興奮的機會，使人們能夠探索以前未知的原子行為。

實驗的聯合導師Manfred Mark解釋說：“這些原子的復雜性使我們能夠探索粒子間更細微的相互作用，為開發新實驗提供了一個具有驚人潛力的量子樂園。”

復雜的原子控制和新型成像技術

除了捕獲鉺原子，研究團隊還開發了利用鉺的不同內部狀態的成像方法。通過誘導不同波長的熒光，他們實現了兩種獨特的成像技術：一種是用于超快、種群分辨成像的藍色光譜--這在鑷子物理學中是一種新技術;另一種是用于幾乎無損觀察的黃色光譜。

這樣，研究人員就可以在不干擾原子量子態的情況下密切監測原子的行為，而且速度也足夠慢，可以對系統進行連續探測。這些新的成像方法為這些量子系統的研究帶來了前所未有的多功能性，該研究的第一作者之一Daniel Schneider Grün說。“我們現在可以用以前不可能的方式觀察這些復雜的原子。”

用復雜原子挑戰量子極限

雖然鉺原子已經在光學晶格中進行過研究，但這項研究引入了一種使用光學鑷子的新方法。光鑷利用緊密聚焦的激光束，聚焦光的大小相當于人類紅血球大小的一小部分。Grün 解釋說：“與光學晶格不同，鑷子可以更自由地將原子排列成可定制的幾何形狀，并實現粒子的實時重新配置。”

該研究團隊以其在操縱鉺和鏑等稀土元素方面的專業知識而聞名，曾取得過鉺的玻色-愛因斯坦凝聚等突破性成果。近年來，他們與經驗豐富的理論家建立了合作網絡，對這些復雜原子的特性(包括在此裝置中起關鍵作用的里德伯態)有了最前沿的深入了解。

開啟新的量子相互作用

研究人員的下一步工作包括通過里德伯激發誘導鉺原子之間的相互作用，這一過程利用了 14 個價電子中的一個，而其他電子則充當量子探針或寄存器。

這種增強的復雜性為量子科學激動人心的新篇章鋪平了道路，在量子科學中，具有多電子構型的復雜原子可以被精確地操縱、研究，并以變革性的方式加以利用。Ferlaino 說：“這是真正的未知領域。”

審核編輯 黃宇