中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在冷原子超分辨成像研究中取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、黃運(yùn)鋒、崔金明等人在離子阱系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了單個(gè)離子的超分辨成像，該成果12月23日發(fā)表在國(guó)際知名期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上。

冷原子系統(tǒng)，包括離子阱中囚禁的離子和光場(chǎng)中囚禁的原子等，是研究量子物理的理想實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，也是進(jìn)行量子模擬、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)研究的重要物理系統(tǒng)。冷原子系統(tǒng)中的核心實(shí)驗(yàn)技術(shù)之一是高分辨單粒子成像。近十年來(lái)，冷原子系統(tǒng)的顯微成像技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出了量子氣體顯微鏡、光鑷原子陣列、高分辨率囚禁離子成像等先進(jìn)技術(shù)。然而這些技術(shù)仍受限于基本的光學(xué)衍射極限，分辨率只能達(dá)到光學(xué)波長(zhǎng)量級(jí)，難以用于研究波函數(shù)細(xì)節(jié)相關(guān)的量子現(xiàn)象，研究這類問(wèn)題需要光學(xué)超分辨成像。

眾所周知，光學(xué)超分辨成像已經(jīng)在化學(xué)和生物領(lǐng)域發(fā)展成為成熟的工具，并由此導(dǎo)致了2014年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。然而由于冷原子實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，將超分辨成像技術(shù)應(yīng)用于冷原子系統(tǒng)極具挑戰(zhàn)。此前國(guó)際上對(duì)單原子（離子）直接的超分辨成像尚未取得進(jìn)展。

在本實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)借鑒經(jīng)典成像領(lǐng)域的受激耗盡超分辨成像方法(STED),結(jié)合冷原子系統(tǒng)的原子量子態(tài)初始化和讀取技術(shù)，首次在離子阱中實(shí)現(xiàn)了單個(gè)冷原子（離子）的超分辨成像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該成像方法的空間分辨率可超越衍射極限一個(gè)量級(jí)以上，利用數(shù)值孔徑僅為0.1的物鏡即可實(shí)現(xiàn)175 nm的成像分辨率。為了進(jìn)一步展示該方法的時(shí)間分辨率優(yōu)勢(shì)，研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)實(shí)現(xiàn)了50 ns的時(shí)間分辨率和10 nm的單離子定位精度，并利用該方法清晰地拍攝了囚禁離子在離子阱中的快速簡(jiǎn)諧震蕩。理論上，通過(guò)增加成像物鏡的數(shù)值孔徑和耗盡光（面包圈光斑）的中心消光比，可進(jìn)一步將空間分辨率提高至10nm以下。

圖1. 單離子超分辨成像。（a）單離子熒光成像，（b）利用離子作為探針測(cè)量的耗盡光模式，（c）單離子超分辨成像結(jié)果，(d-e)成像分辨率與耗盡光強(qiáng)和耗盡時(shí)間的關(guān)系，（f）單離子熒光成像（FM）與超分辨成像（GSD）分辨率對(duì)比。

圖2. 超分辨成像方法應(yīng)用于離子動(dòng)力學(xué)測(cè)量。（a）采用電信號(hào)激勵(lì)離子y方向簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，（b）成像時(shí)許，（c）對(duì)運(yùn)動(dòng)離子不同時(shí)刻的成像，擬合像斑中心（藍(lán)色十字）可以清晰觀測(cè)y方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。（d）不同激勵(lì)電壓的離子運(yùn)動(dòng)軌跡。

本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)技術(shù)可擴(kuò)展到冷原子系統(tǒng)的多體和關(guān)聯(lián)測(cè)量，并且對(duì)其他冷原子系統(tǒng)也具有很好的兼容性，可應(yīng)用于光晶格、中性原子光鑷以及冷原子-離子混合系統(tǒng)等。審稿人高度評(píng)價(jià)該工作：“清晰地展現(xiàn)了邁向單原子量子運(yùn)動(dòng)態(tài)的直接動(dòng)力學(xué)測(cè)量的重要一步，并在多體糾纏系統(tǒng)具有應(yīng)用前景”；“本工作的提出和實(shí)現(xiàn)，填補(bǔ)了此前缺失的精密測(cè)量原子位置的重要工具，有潛力對(duì)高頻運(yùn)動(dòng)的單個(gè)運(yùn)動(dòng)量子實(shí)現(xiàn)空間分辨”。

論文的共同第一作者是中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的錢忠華博士和崔金明副研究員。該研究得到了科技部，國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.127.263603