Локализация атома связана с оценкой положения атома с использованием методов квантовой оптики с возрастающей точностью. Это поле находит свое начало в мысли эксперимента Вернера Гейзенберга называется микроскоп Гейзенберга , [1] , который обычно используется в качестве иллюстрации неопределенности Гейзенберга связи в квантовой механике учебников. [2] Эти методы достаточно развиты, чтобы предложить локализацию атома по всем трем пространственным измерениям в субволновой области. Методы локализации атомов применялись в других областях, требующих точного контроля или измерения положения атомоподобных объектов, таких как микроскопия ,нанолитография , оптический захват атомов , оптические решетки и атомная оптика . Локализация атома основана на использовании атомной когерентности для определения положения атома с точностью, меньшей, чем длина волны используемого света. Это, по-видимому, превышает рэлеевский предел разрешения и открывает возможности сверхразрешения для множества полей. [3]
Субволновая локализация атома: превышение рэлеевского предела
Учитывая , что при обсуждении этого микроскопа Гейзенберга , Рэлея разрешения и неопределенности Гейзенберга неразрывно связанных создает впечатление , что превосходящий предел Рэлея приведет к нарушению предела неопределенности Гейзенберга. Математически можно показать, что пространственное разрешение может быть увеличено до любой степени без нарушения соотношения неопределенности Гейзенберга. [4] Цена, которую нужно заплатить, - это импульс, полученный частицей, положение которой измеряется. Это изображено на рисунке справа.
Одномерная локализация атома
Локализация атома в поперечном направлении от направления его движения может быть легко достигнута с использованием таких методов, как квантовые эффекты интерференции , когерентный захват населения , [5] путем модификации атомных спектров, например, с помощью спектроскопии Аутлера-Таунса , резонансной флуоресценции , интерферометрии Рамсея. и посредством мониторинга восприимчивости зонда через электромагнитно-индуцированную прозрачность , когда атом взаимодействует по крайней мере с одним пространственно-зависимым полем стоячей волны .
Приложения
Исследование локализации атома предложило практическое применение в области нанолитографии на пределе Гейзенберга [6] наряду с ее фундаментальным значением для области атомной оптики , [7] и лазерное охлаждение и захват нейтральных атомов. [8] Расширяя схемы локализации атомов до двух измерений, можно получить оптические решетки с более жестким, чем обычно, ограничением в каждой точке решетки. Такие сильно ограниченные решетчатые структуры могут быть полезны для изучения некоторых предсказаний теории твердого тела Блоха и переходов Мотта в гораздо более чистых системах по сравнению с обычными твердыми телами. Такие более жесткие улавливающие потенциалы могли бы найти дальнейшее применение в области квантовой информации, особенно для разработки детерминированных источников одиночных атомов и одноатомного квантового регистра. Методы локализации атомов также важны для субволновой микроскопии [9], а также для визуализации и определения волновой функции центра масс атомоподобных объектов. [10] [11] [12]
Сноски
- ^ Вернер Гейзенберг (1949). Физические основы квантовой теории . Courier Dover Publications. ISBN 978-0-486-60113-7.
- ^ Филлипс, AC (2003). Введение в квантовую механику . Западный Сассекс, Англия: John Wiley & Sons.
- ^ Капале, Кишор Т. (2013). «Субволновая локализация атома». Прогресс в оптике . 58 (Глава 4): 199–250. DOI : 10.1016 / B978-0-444-62644-8.00004-2 . ISBN 9780444626448.
- ^ Vigoureux, JM; Куржон, Д. (1992). «Обнаружение безызлучательных полей в свете принципа неопределенности Гейзенберга и критерия Рэлея». Приложение. Опт . 31 (16): 3170–3177. DOI : 10,1364 / AO.31.003170 . PMID 20725262 .
- ^ Agarwal, GS; Капале, К.Т. (2006). «Субволновая локализация атома посредством когерентного захвата населенностей». J. Phys. B . 39 (17): 3437–3446. arXiv : квант-ph / 0505014 . DOI : 10.1088 / 0953-4075 / 39/17/002 . S2CID 119081094 .
- ^ Джонсон, Канзас; Thywissen, JH; Деккер, штат Нью-Хэмпшир; Берггрен, К.К .; Чу, AP; Юнкин, Р .; Прентисс, М. (1998). «Локализация метастабильных атомных пучков с оптическими стоячими волнами: нанолитография на пределе Гейзенберга». Наука . 280 (5369): 1583–1586. DOI : 10.1126 / science.280.5369.1583 . PMID 9616117 .
- ^ Адамс, CS; Сигель, М .; Млынек, Дж. (1994). «Атомная оптика» . Phys. Rep . 240 (3): 143–210. DOI : 10.1016 / 0370-1573 (94) 90066-3 .
- ^ Филлипс, WD (1998). «Лазерное охлаждение и захват нейтральных атомов» . Ред. Мод. Phys . 70 : 721–741. DOI : 10.1103 / RevModPhys.70.721 .
- ^ Kapale, KT; Агарвал, GS (2010). «Субнаноуровневое разрешение для микроскопии через когерентный захват населения». Опт. Lett . 35 (16): 2792–2794. DOI : 10.1364 / OL.35.002792 . PMID 20717459 .
- ^ Kapale, KT; Камар, С .; Зубайры, М.С. (2003). «Спектроскопическое измерение волновой функции атома». Phys. Rev. A . 67 (2): 023805. DOI : 10,1103 / PhysRevA.67.023805 . ЛВП : 1969,1 / 126561 .
- ^ Evers, J .; Камар, С .; Зубайры, М.С. (2007). «Локализация атома и определение волновой функции центра масс с помощью нескольких одновременных квадратурных измерений». Phys. Rev. A . 75 (5): 053809. DOI : 10,1103 / PhysRevA.75.053809 . ЛВП : 1969,1 / 126604 .
- ^ Руди, П .; Ejnisman, R .; Бигелоу, Н. П. (1997). «Флуоресцентное исследование параметрически возбуждаемых движущихся волновых пакетов в оптических решетках». Phys. Rev. Lett . 78 (26): 4906–4909. DOI : 10.1103 / PhysRevLett.78.4906 .