Foto de Zoltan Tasi no Unsplash

A equipe do acadêmico Guo Guangcan da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) da Academia Chinesa de Ciências fez progressos importantes na pesquisa de imagens de super-resolução de átomos frios. A equipe conseguiu imagens de super-resolução de um único íon em um sistema de armadilha de íons. Os resultados foram publicados em Physical Review Letters.

O sistema de átomos frios é uma plataforma experimental ideal para estudar física quântica, bem como um importante sistema físico para pesquisa experimental em simulação quântica, computação quântica e medição de precisão quântica. Uma das principais técnicas experimentais no sistema de átomos frios é a imagem de partícula única de alta resolução. Nos últimos dez anos, a tecnologia de imagem microscópica do sistema de átomos frios se desenvolveu rapidamente. No entanto, as tecnologias recém-desenvolvidas ainda são limitadas pelo limite de difração óptica fundamental, e a resolução só pode atingir a ordem do comprimento de onda óptico. É difícil estudar fenômenos quânticos relacionados aos detalhes da função de onda. Estudar tais problemas requer imagens de super-resolução óptica.

A imagem de super-resolução óptica tornou-se uma ferramenta madura nas áreas de química e biologia. No entanto, devido à complexidade dos experimentos de átomos frios, é extremamente desafiador aplicar a tecnologia de imagem de super-resolução a sistemas de átomos frios. Antes disso, o mundo ainda não havia feito progressos na imagem direta de super-resolução de átomos únicos (íons).

Neste estudo, os pesquisadores adotaram a ideia principal da microscopia Stimulated Emission Depletion (STED) no campo clássico de imagem de super-resolução, combinando-a com a inicialização do estado quântico atômico e a tecnologia de leitura do sistema de átomos frios. Eles realizaram imagens super-resolvidas de um único átomo frio (íon) diretamente pela primeira vez.

Resultados experimentais mostraram que a resolução espacial do método de imagem pode ultrapassar o limite de difração em mais de uma ordem, e a resolução de imagem de 175 nm pode ser alcançada usando uma lente objetiva com abertura numérica de apenas 0,1.

Para demonstrar ainda mais a vantagem de resolução de tempo desse método, os pesquisadores alcançaram uma resolução de tempo de 50 ns e uma precisão de posicionamento de íon único de 10 nm, e usaram esse método para capturar claramente as oscilações harmônicas rápidas do íon na armadilha. Teoricamente, aumentando a abertura numérica da objetiva de imagem e a razão de extinção do centro da luz empobrecida (o ponto de rosca), a resolução espacial pode ser melhorada para menos de 10 nm.

Esta técnica experimental pode ser estendida para a medição de múltiplos corpos e correlação de sistemas de átomos frios, e tem ampla compatibilidade com outros sistemas de átomos frios. Pode ser aplicado a treliças ópticas, pinças ópticas de átomos neutros e sistemas híbridos de átomo-íon frio. Veja aqui.

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