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如何成为一名原子捕手
很多朋友都用过显微镜,通过显微镜观察一些微小的物体可谓是帮人类打开了新世界的大门。那么有没有可能用类似的手段观察到更小的物体——比如单个原子呢?
原子模型示意
我最近得以和他一起探讨这个研究,不过在我们深入之前,先来了解一下:为什么用光来观测单个原子这件事如此困难?
01
为什么说不可能呢?
光学显微镜
还有另一个问题,“抓住”一个原子很难,不光是因为它们太小了,还因为它们运动得很快,原子以接近声速的速度飞来飞去,连一群都捕获不到,更何况是单个的原子呢。
你以为就只有这些问题吗?原子们还喜欢一起“玩”,所以抓到它们其中的一个,并且把其他同伴分开非常困难。
那么有没有什么办法能够实现这一点呢?
02
用激光让原子“冷静”下来
利用6束不同方向的激光束缚原子
光线“砸在”所有它照射的物体上,当然也包括你我,但我们日常看到的物体都太大了,以至于这个作用微乎其微,可以忽略。
可是到了纳米级别的微小尺度上,这个影响就显现出来了,因为原子太小了,所以光的作用就变得很重要。我们举个例子——彗星和尾巴。彗星的彗尾就是太阳光与彗星上微观物质相互作用产生的。
彗星和长长的彗尾
当然这里的激光也不是随便的激光,它的频率必须和目标原子的震动频率相同,有了这点要求,激光和原子的选取就都需要考虑,为了将成本降低,安德生选择了铷原子,因为它的频率与影碟机里用来读取CD的激光是相一致的,这种激光成本很低。
铷原子模型
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从多到一
分子被光束打散
有一些研究团队也做过相似的实验,但成功率只有大约一半;安德生说,光和原子聚集体碰撞时产生的能量对于实验的完成率有很大影响。
原子聚集体更可能一对对地弹出原子,如果没有控制原子团的初始数目的话,那他们就有一半的可能利用奇数个原子开始实验,原子一对对分离后可以剩余一个单原子,这也是为什么他们有50%的成功几率。要通过控制原子团内部碰撞释放的能量来解决这个问题,而这个能量需要能使一个原子分离而又不能让它们成对。
04
纳米科学的深空技术
深空望远镜镜片
在捕获这个原子至镜片焦点位置时,我们可以发射一束准共振光使粒子发射出荧光,荧光成像就是这么个过程。这时候深空望远镜镜片就派上了用场——它们专门用来在无边的黑暗中探测一点点光子。
此时你就只需要按下快门键了。现在我们已经完成了冷却、捕获、分离、拍摄一个原子这几个步骤了。
安德生实验中单个铷-85原子图像,来源:奥塔哥大学原子物理实验室官网
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从一到多
他们利用光镊子来使两个单独的原子结合在一起,然后再测量这个过程释放的能量。最近他们甚至把原子的数量提高到了三个。
用光镊将两个铷原子凑到一起 来源:Wikipedia
这些东西听起来是不是还挺带感的?但能用来干什么呢?
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原子精度的未来
单原子控制技术同时也给我们实现晶体管的物理极限提供了路径,这样的话晶体管的尺寸就可以降到双原子量级了。
单原子晶体管模型
虽然我们已经看到了研究的“成品”,但是我们距离商业化量子比特或是制造原子精度的产品还是有一些时间,安德生给我解释了这样的研究无法变现的原因。
他解释说,这个工作其实对于需要全面控制的原子系统来说很基础,只是目前这个系统非常脆弱,而且用铷原子来研究已经节省了很多成本(利用了市场中较成熟的激光技术),如果要更换其它原子,那就需要更换不同频率的激光、准共振光,这些也会消耗许多成本,引入更多原子的同时也会使过程更复杂。在合成新的分子时,大多数原子结合的形式也不是化学稳定的,让原子们避开环境中的原子、和特定原子结合也需要很多能量。
安德生和他的团队在查看他们用来控制原子的设备
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写在最后
对于后生们来说,有人在研究你正在想的可能有点疯狂的想法一定很振奋吧,这些就存在于我们生活中、组成了我们的原子,有人正尝试着去用它们形成差不多大小的新东西。
或许下次老师说什么你有些怀疑的东西的时候,你也可以做一个颠覆的人——只要再想深入一些。
作者:Strad Slater
翻译:zhenni
审校:xux
原文链接:
https://williamslater2003.medium.com/holding-a-single-atom-da18a674f559本文经授权转载自《中科院物理所》微信公众号