费米子是物质的构成基石，它们通过无数种排列组合相互作用，形成元素周期表中的各种元素。没有费米子，物理世界便不复存在。
费米子的例子包括电子、质子、中子、夸克，以及由奇数个这类基本粒子构成的原子。由于电子和核物质具有费米子特性，理论上难以理解，因此研究人员正尝试用超冷费米原子气体来模拟其他费米子。
但原子对光极为敏感：单个光子击中原子时，可能会将粒子撞离原位——这一效应使得对单个费米原子成像难上加难。
如今，麻省理工学院的一组物理学家研制出一种显微镜，能够观察多达1,000个单独的费米原子。研究人员设计了一种基于激光的技术，将费米子捕获并固定在原位，同时对粒子成像。
这项新的成像技术使用两束激光照射光学晶格中的一团费米原子。两束激光的波长各不相同，能够冷却原子云，使单个费米子降至较低能级，最终进入最低能态——冷却并稳定到足以停留在原位。与此同时，每个费米子都会释放光，显微镜捕获这些光线，用以成像并确定费米子在晶格中的精确位置——精度优于光的波长。
借助这项新技术，研究人员能够冷却并成像构成一团钾气体的95%以上费米原子。麻省理工学院物理学教授Martin Zwierlein表示，这项技术带来的一项有趣发现似乎是：即使在成像之后，它也能让费米子保持低温。
“这意味着我知道它们在哪里，也许还可以用一把小镊子把它们移动到任意位置，并按我想要的方式排列成任意图案，”Zwierlein说。
Zwierlein及其同事（包括第一作者、研究生Lawrence Cheuk）今天在期刊《 Physical Review Letters
》上发表了研究结果。
从玻色子到费米子
过去二十年来，实验物理学家一直在研究两类粒子的超冷原子气体：费米子和玻色子。玻色子包括光子等粒子，与费米子不同，它们可以无限数量地占据同一量子态。2009年，哈佛大学物理学家Markus Greiner设计出一种显微镜，成功对紧密排列的光学晶格中的单个玻色子成像。2010年，马克斯·普朗克量子光学研究所Immanuel Bloch团队研制出第二台玻色子显微镜，接续了这一里程碑。
这些显微镜以前所未有的细节揭示了强相互作用下玻色子的行为。然而，此前还没有人研制出可用于费米原子的同类显微镜。
“我们想为费米子做出玻色子研究团队已经做到的事情，”Zwierlein说，“但事实证明，对费米子而言难得多，因为我们使用的原子不那么容易冷却。因此，我们必须找到一种在观察它们的同时冷却它们的新方法。”
近几十年来，研究人员已开发出多种技术，使原子冷却到越来越接近绝对零度。Carl Wieman、Eric Cornell和麻省理工学院的Wolfgang Ketterle于1995年实现了玻色-爱因斯坦凝聚。这一里程碑式成果使他们获得了2001年诺贝尔物理学奖。其他技术包括利用激光将原子从300摄氏度冷却到高于绝对零度几万分之几度的过程。
巧妙的冷却技术
然而，要观察单个费米原子，粒子还需要进一步冷却。为此，Zwierlein的团队利用激光束构建光学晶格，形成类似鸡蛋盒的结构，其中每个凹槽都有可能捕获一个费米子。经过不同阶段的激光冷却、磁捕获以及进一步的气体蒸发冷却，原子被制备到略高于绝对零度的温度——足够冷，使单个费米子沉降到下方的光学晶格上。团队将晶格放在距离成像透镜仅7微米处，希望通过透镜观察单个费米子。
然而，要观察费米子就必须让光照射到它们身上，这会使光子实质上将费米原子撞出凹槽，甚至可能将其完全撞出系统。
“我们需要一种巧妙的技术，在观察原子的同时让它们保持低温，”Zwierlein说。
他的团队决定采用双激光方案进一步冷却原子；该技术会调控原子的特定能级，也就是振动能。每个原子都处于某一能态——能态越高，粒子越活跃。团队将两束频率不同的激光照射到晶格上。两种频率之差对应于费米子不同能级之间的能量。因此，当两束光都照射到一个费米子上时，该粒子会吸收频率较低的光，并从频率较高的光束中发射一个光子，继而降低一个能级，进入更冷、更不活跃的状态。晶格上方的透镜收集发射出的光子，记录其精确位置以及费米子的位置。
Zwierlein表示，同时对1,000多个费米原子进行如此高分辨率的成像，将有助于增进我们对自然界中其他费米子行为的理解，尤其是电子的行为。这些知识有朝一日或许能推进我们对高温超导体的认识；高温超导体能够实现无损能量传输，也有助于理解固态系统或核物质等量子系统。
“费米气体显微镜加上随意定位原子的能力，或许是实现基于费米子的量子计算机的重要一步，”Zwierlein说。“这样一来，我们就能利用那些迄今阻碍我们理解电子系统的复杂量子规则本身所蕴含的力量。”
Zwierlein说，对于费米气体显微镜研究人员而言，现在是个好时机：在他的团队首次报告研究结果的前后，来自哈佛大学和格拉斯哥斯特拉斯克莱德大学的团队也报告了对光学晶格中单个费米原子的成像，这预示着这类显微镜前景可期。
三一学院物理学教授Zoran Hadzibabic表示，该团队的显微镜能够“以近乎完美的保真度”探测单个原子。
“他们能够可靠地探测原子，而且不会影响原子的位置——这正是人们所需要的，”未参与这项研究的Hadzibabic说。“到目前为止，他们展示了这项技术；但我们从玻色子研究中知道，这是最难的一步，我预计科学成果将开始不断涌现。”
这项研究部分由美国国家科学基金会、空军科学研究办公室、海军研究办公室、陆军研究办公室以及David and Lucile Packard Foundation资助。 本文由MIT News
合作发布。发表本文并不意味着世界经济论坛认可其中的观点。 要及时了解议程动态，请订阅我们的每周通讯
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作者：Jennifer Chu是MIT News的撰稿人。
