中国科学家实现单离子超分辨率成像

27日，记者从中国科学技术大学获悉，该校郭光灿院士团队在冷原子超分辨率成像研究方面取得重要进展。李传峰、黄云峰、崔等人的团队在离子阱系统中实现了单离子超分辨成像。成果日前在《物理评论快报》发表。

冷原子系统包括离子阱中的囚禁离子和光场中的囚禁原子，是研究量子物理的理想实验平台，也是量子模拟、量子计算和量子精密测量实验研究的重要物理系统。冷原子系统的核心实验技术之一是高分辨率单粒子成像。近十年来，冷原子系统显微成像技术发展迅速，涌现出量子气体显微镜、光镊原子阵列、高分辨率囚禁离子成像等先进技术。但由于光学衍射的限制，这些技术的分辨率只能达到光学波长的数量级，而研究与波函数细节相关的量子现象需要光学超分辨率成像。到目前为止，国际上对单原子(离子)的直接超分辨成像还没有取得进展。

中国科学技术大学团队借鉴经典成像领域的受激耗尽超分辨成像方法，结合冷原子系统的原子量子态初始化和读取技术，首次实现了离子阱中单个离子的超分辨成像。实验结果表明，这种成像方法的空间分辨率可以超过衍射极限一个数量级以上，使用数值孔径仅为0.1的物镜可以达到175 nm的成像分辨率。为了进一步论证这种方法在时间分辨率上的优势，团队同时实现了50纳秒的时间分辨率和10纳米的单离子定位精度，清晰地拍摄到了离子阱中囚禁离子的快谐波振荡。理论上，通过相关操作，空间分辨率可以提高到10纳米以下。

这一实验技术可以推广到冷原子系统的多体测量和关联测量。审稿人认为，这项工作“填补了以前缺少的精确测量原子位置的重要工具，有可能实现高频运动中单个运动量子的空间分辨率”。