里程碑！新方法让激光束在真空中可见，可精准捕获和操纵单个原子

激光束在穿过真空环境时，通常是不可见的。但近日德国波恩大学物理学家们发现的一种方法，却可以让它们在真空中显现出来。

据悉，他们使用一种叫做拉姆齐成像（Ramsey imaging）的技术实现了这一里程碑式的成果。与此同时，这种方法还可以使激光更容易地达到捕获和操纵单个原子所需的精度——这是基于原子的量子计算和其他量子技术的关键一步。

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光学陷阱利用高度聚焦激光束，在势能中产生一个或多个倾斜（或称为“口袋”）。在那里，单个粒子可以被固定在适当的位置。而实验人员可以随意移动这些“口袋”，从而将粒子运送到空间中的特定位置。

随着同一位置上粒子数量的增加，它们开始相互作用。“为了控制这个过程，所有的‘口袋’必须有相同的形状和深度，”波恩大学博士生、这项新技术研究的主要作者——高塔姆·拉莫拉（Gautam Ramola）解释称。他还补充表示，为了实现这一点，捕获激光束的重叠精度必须达到微米级。

高度均匀的光阱对于基于原子的技术尤其重要，如光学晶格时钟、捕获原子干涉仪、量子计算和量子模拟器。然而，由于这些技术是在真空下操作来保持原子的微妙量子态，很少会有其他粒子能通过散射或反射激光来揭示光束强度分布的信息。

Ramola、团队负责人Andrea Alberti和他们的同事通过使用原子本身来检测光束的传播方式，最终成功克服了这个问题。

这种被称为“拉姆齐相位跟踪”（Ramsey phase tracking）的技术，通过探测原子的超精细分裂来工作——也就是说，由于原子核的磁矩和电子的轨道运动之间的相互作用，原子的能级发生了位移。通常，拉姆齐信号可以测量在椭圆偏振激光束存在时，这种超精细分裂是如何变化的。

“每个原子有效地充当一个小型传感器，记录光束的强度，”阿尔伯蒂解释说。“通过检查位于不同位置的数千个原子，我们可以在千分之一毫米内确定光束的位置。”

研究人员在《应用物理评论》(Physical Review Applied)上描述了这项技术。利用该技术，研究小组成功调整四束激光，并使它们在所需的位置相互作用。Andrea Alberti说:“使用传统技术，这样的操作通常需要几周，并且不能真正保证最终结果。而我们只需要一天就能实现这一目标。”

在他们的工作中，研究小组测量了铯原子的光阱，但这项技术也可以用于其他碱原子，以及元素周期表中某些其他基团的原子，比如磁性镧系元素。另外，它还可以应用于一系列光学陷阱的几何形状。