Механические колебания иона увидели в оптический микроскоп

Китайские физики применили оптическую микроскопию на основе истощенного основного состояния к одиночному иону иттербия, пойманному в ловушку. С помощью этого метода они смогли увидеть распределение этого иона в пространстве, и также изучить, как он колеблется под действием внешней периодической силы. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Холодные квантовые газы стали в последние годы одной из самых мощных физических платформ для квантовых симуляций и изучения новых квантовых явлений. Например, недавно с их помощью три разные группы экспериментально подтвердили предсказанный 30 лет назад эффект блокировки Паули при рассеянии света. Другим тонким квантовым эффектом, обнаруженным в холодном атомном газе, стала фрагментация конденсата Бозе — Эйнштейна.

Во всех таких экспериментах насущной необходимостью становится визуализация самих атомов. В пределе речь идет об изображении одиночных атомов и ионов, и здесь методы могут зависеть от типа ловушки, в которой они пленены. Также желательно получить оптическое изображение частицы, хотя в этом случае задача осложняется фундаментальным дифракционным ограничением, связанным с тем, что мы не можем сфокусировать свет в точку, меньшую, чем длина волны. Для борьбы с дифракционным пределом было придумано несколько техник оптической микроскопии сверхвысокого разрешения, однако на практике они применялись в основном в условиях биологического или химического эксперимента.

Чжун-Хуа Цянь (Zhong-Hua Qian) с коллегами из Научно-технического университета Китая применили микроскопию на основе истощенного основного состояния к одиночному иону ¹⁷¹Yb⁺. Им удалось визуализировать частицу с разрешением 175 нанометров. Они также показали, что таким методом можно наблюдать за временной эволюцией иона с шагом в 50 наносекунд.

Метод истощения основного состояния основывается на идее о том, что атомы не будут рассеивать падающий на них свет, если на основном состоянии соответствующего резонансного перехода больше не остается электронов. Чтобы этого добиться, физики создают истощающий луч, чей профиль имеет форму кольца. Он обедняет атомные состояния в окрестности своей середины, после чего флуоресцентные свойства образца приобретают точечную структуру субдифракционного размера.

Авторы адаптировали эту идею к измерению координаты иона ¹⁷¹Yb⁺, запертого в ловушке Паули, связав его флуоресцентные свойства со спином ядра. Для получения одного пикселя изображения физики облучали частицу тремя лазерами. Первый поляризовал сверхтонкий дуплет иона ²S_1/2 в состояние |F=0> (оно играло роль темного состояния). Затем истощающий лазер освещал область, в которой должен был находиться ион. Чем выше вероятность того, что ион может быть найден в середине кольца, тем выше шанс, что истощающий луч его возбудит, после чего тот перейдет в состояние |F=1> (светлое состояние). Наконец, третий лазер был настроен на возбуждение иона с состояния |F=1> на более высокие уровни с последующим рассеянием фотона. Отсутствие этого сигнала свидетельствовало о наличии иона в середине кольца.

Поскольку объектом исследования был одиночный атом, для одного пикселя физики повторяли эту последовательность 100 раз. Чтобы ион не нагревался, они допплеровски охлаждали его в течение одной миллисекунды перед получением каждого пикселя. Анализируя получившиеся темные пиксели, авторы восстанавливали распределение вероятности встретить частицу в пространстве. Варьируя мощность лазера и длительность истощения, они достигли распределения с шириной 175 нанометров.

Вооружившись таким инструментом, физики изучили динамику колебания иона в ловушке под действием внешнего периодического возмущения. Для этого между первым и вторым лучами они воздействовали на него радиочастотным полем в течение 73 микросекунд, после чего ждали некоторое время и снимали изображения. Шаг, с которым ученые могли менять это время, определяла длительность истощения, которая составляла 50 наносекунд. Построенные в результате зависимости максимума распределения иона от времени для различных амплитуд поля имели синусоидальный характер и очень хорошо согласовались с построенными моделями колебания. Авторы смогли измерить амплитуду силы, действующей со стороны поля на ион, и период колебания, которые оказались равны 6.9±0.7 зептоньютон и 681.1±23.9 наносекунд, соответственно.

Это первое исследование, где в оптический микроскоп удалось проследить за движением отдельного атома с таким пространственно-временным разрешением, хотя сама по себе представленная техника уже использовалась другой группой физиков, чтобы разглядеть распределение иона кальция, также пойманного в ловушку. Там размер волнового пакета оказался равен нескольким десяткам нанометров. Другим подходом к преодолению дифракционного предела оптическими методами стала флуоресцентная микроскопия. Мы уже рассказывали, как с ее помощью увидели квантовые точки с разрешением 30 нанометров.

Марат Хамадеев