研究人員利用雷射和光學技術構建了原子波函數圖像。
phys.org網站5月16日報導，美國聯合量子研究所（JQI）等機構的物理學家們發現了一種新的觀測方法。利用該方法，研究人員可通過直接觀察獲得孤立量子系統（如原子氣體）的基本細節。新方法能以超高空間解析度提供在系統特定位置發現原子的概率信息：研究人員利用光學晶格來確定原子在給定空間內出現的機率。由於晶格中的每個原子具有行為相似性，通過測量整個原子群體的行為也能揭示單個原子在空間某點出現的可能性。相關成果發布於《物理評論X》雜誌。與此同時，芝加哥大學也報導了類似技術。
新技術的精度約為現有光學顯微鏡精度的50倍。JOI研究人員Trey Porto說：「這展示了我們對量子力學的觀察能力。我們首次實現了對原子的超高精度觀測。」為了解釋量子系統，物理學家們通常會提到它的「波函數」。波函數不僅僅是一個重要的細節，更包含了描述系統所需的所有信息。JQI物理學家、論文作者Steve Rolston說：「如果科學家能掌握波函數的信息，那麼他就能由此計算出其他相關信息，例如物體的磁性和導電性等。」雖然波函數是一個數學表達式，但Rolston等的方法可以揭示波函數描述的行為：某個量子系統的「相對行為概率」。在量子力學的世界裡，概率意味著一切。
關於量子力學，有許多「奇怪」的原理。例如，在研究人員測定物質的位置之前，它可能沒有一個精確的坐標——原子核周圍的電子並不會沿著規則的類行星軌道運動，而是以一種「波狀方式」形成「電子云」。因此，電子在空間中的位置是模糊的。任何物體都具有波行為，對於宏觀物體來講，「波」的影響難以察覺。但對原子這樣的微觀物質，情況就顯著不同了。原子存在於由量子力學效應佔據主導地位的領域中，科學家們不可能確切地表述它所在的位置，只能根據波函數提供原子在限定區域被發現的概率集。
對簡單系統的量子力學效應，科學家們已經能比較充分的進行理解了。然而，大多數系統都是複雜的。Rolston說：「很多量子系統過於複雜，我們無法進行計算。現在，新方法可以幫助我們了解複雜系統更多的情況了。雖然我們還不確定這項技術將走向何方，但它為我們提供了新的機遇。多年來，研究人員一直使用光學晶格來捕捉原子，而現在它已經發展成了新的測量工具。」
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編譯：雷鑫宇
審稿：alone
責編：唐林芳
期刊來源：《物理評論X》
期刊編號：2160-3308
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