如何成为一名原子捕手

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很多朋友都用过显微镜，通过显微镜观察一些微小的物体可谓是帮人类打开了新世界的大门。那么有没有可能用类似的手段观察到更小的物体——比如单个原子呢？

我们学习中学物理时，老师告诉我们用普通的光学显微镜来观察一个原子是不可能的，因为原子的尺度比可见光的波长要小。

原子模型示意

新西兰奥塔哥大学的副教授、原子物理系的主管米克·安德生博士（Mikkel Andersen）的老师也是这么教的，但安德生没有接受这个说法，甚至用他童年的好奇心去克服困难，创造了一种捕获、孤立和拍摄一个原子的技术。

我最近得以和他一起探讨这个研究，不过在我们深入之前，先来了解一下：为什么用光来观测单个原子这件事如此困难？

01

为什么说不可能呢？

我们耳熟能详的首要原因就是，光的波长要远大于单个原子的大小。普通光学显微镜依赖样品的反射光波来工作，它的镜片可以通过折射来收集光线，就和我们用眼睛观察东西是一样的。

光学显微镜

就像射击一样，较长波长的光波很难击中小小的原子并与之发生相互作用。

还有另一个问题，“抓住”一个原子很难，不光是因为它们太小了，还因为它们运动得很快，原子以接近声速的速度飞来飞去，连一群都捕获不到，更何况是单个的原子呢。

你以为就只有这些问题吗？原子们还喜欢一起“玩”，所以抓到它们其中的一个，并且把其他同伴分开非常困难。

那么有没有什么办法能够实现这一点呢？

02

用激光让原子“冷静”下来

首先我们需要让跑太快的原子慢下来。安德生选择的是利用一种捕获微小样品的激光冷却技术，这个技术就像一把光做的镊子，可以减缓单个原子得运动速度并夹住它。

利用6束不同方向的激光束缚原子

光波不会加速，但是光有动量，动量是可以在电磁场和物体之间发生交换的。这样我们就可以理解为光提供了一个“光学力”。

光线“砸在”所有它照射的物体上，当然也包括你我，但我们日常看到的物体都太大了，以至于这个作用微乎其微，可以忽略。

可是到了纳米级别的微小尺度上，这个影响就显现出来了，因为原子太小了，所以光的作用就变得很重要。我们举个例子——彗星和尾巴。彗星的彗尾就是太阳光与彗星上微观物质相互作用产生的。

彗星和长长的彗尾

“激光冷却”就是利用这个作用的过程，可以将物质的温度降至绝对零度以上百万分之一度。将一束能量很高的激光迎面打到运动的原子上，激光的光波便可以使原子的运动速度减慢到可以观测的程度。（注：一般所说的“冷却原子”就是减缓原子速度的意思。）

当然这里的激光也不是随便的激光，它的频率必须和目标原子的震动频率相同，有了这点要求，激光和原子的选取就都需要考虑，为了将成本降低，安德生选择了铷原子，因为它的频率与影碟机里用来读取CD的激光是相一致的，这种激光成本很低。

铷原子模型

03

从多到一

现在我们来讲讲单个原子的问题，不过安德生是从50个原子开始的，激光冷却下来这一堆原子后，他们就需要从中“敲出”一个来。他们利用了另外一束“准共振”光波，所谓的准共振光，就是接近原子频率但不完全相等的光波，可以让原子群内部的原子互相碰撞，这个过程需要不断重复，产生足够的能量，直到撞出单个的原子。

分子被光束打散

有一些研究团队也做过相似的实验，但成功率只有大约一半；安德生说，光和原子聚集体碰撞时产生的能量对于实验的完成率有很大影响。

原子聚集体更可能一对对地弹出原子，如果没有控制原子团的初始数目的话，那他们就有一半的可能利用奇数个原子开始实验，原子一对对分离后可以剩余一个单原子，这也是为什么他们有50%的成功几率。要通过控制原子团内部碰撞释放的能量来解决这个问题，而这个能量需要能使一个原子分离而又不能让它们成对。

04

纳米科学的深空技术

终于，我们在一个大概合适的位置有了一个合适的原子，为了能看到它，我们首先需要一个镜片，一种用于太空望远镜的可以看深空的镜片。

深空望远镜镜片

在捕获这个原子至镜片焦点位置时，我们可以发射一束准共振光使粒子发射出荧光，荧光成像就是这么个过程。这时候深空望远镜镜片就派上了用场——它们专门用来在无边的黑暗中探测一点点光子。

此时你就只需要按下快门键了。现在我们已经完成了冷却、捕获、分离、拍摄一个原子这几个步骤了。

安德生实验中单个铷-85原子图像，来源：奥塔哥大学原子物理实验室官网

05

从一到多

上面那个照片是2010年照的，之后他们开始更进一步，在研究中增加原子，来研究控制化学反应的基本过程。

他们利用光镊子来使两个单独的原子结合在一起，然后再测量这个过程释放的能量。最近他们甚至把原子的数量提高到了三个。

用光镊将两个铷原子凑到一起 来源：Wikipedia

在讨论近期科研内容时，安德生还告诉我他们在尝试人工纠缠原子。高度量子纠缠的条件下，两个纠缠的粒子即使在相距很远的情况下也都可以决定对方的状态。相比于单个原子，只需要给冷却激光加上更多的控制条件，就可能操作两个原子，使其互相纠缠。

这些东西听起来是不是还挺带感的？但能用来干什么呢？

06

原子精度的未来

首先，这个方向的研究可能可以用于量子计算机，虽然这并非是研究人员的本意，但看起来控制单个原子这样的技术确实对于在量子计算机中实现量子比特有帮助。

单原子控制技术同时也给我们实现晶体管的物理极限提供了路径，这样的话晶体管的尺寸就可以降到双原子量级了。

单原子晶体管模型

我们实现了“掌握一个原子”的技术，便可以深入了解原子是怎么和孤立环境反应的，又是怎么相互结合的，或者还可以创造出一些本来不能通过自组装合成的分子。

虽然我们已经看到了研究的“成品”，但是我们距离商业化量子比特或是制造原子精度的产品还是有一些时间，安德生给我解释了这样的研究无法变现的原因。

他解释说，这个工作其实对于需要全面控制的原子系统来说很基础，只是目前这个系统非常脆弱，而且用铷原子来研究已经节省了很多成本（利用了市场中较成熟的激光技术），如果要更换其它原子，那就需要更换不同频率的激光、准共振光，这些也会消耗许多成本，引入更多原子的同时也会使过程更复杂。在合成新的分子时，大多数原子结合的形式也不是化学稳定的，让原子们避开环境中的原子、和特定原子结合也需要很多能量。

安德生和他的团队在查看他们用来控制原子的设备

当然这个技术本身是否合适应用也是个问题——新方法应用的前提，要么是能制造出传统方式不能生产的产品，要么是在成本和效率方面都比其他方法优异。

07

写在最后

这些困难看起来好像都挺棘手的，但安德生认为他们的研究对于后续需要解决的相关问题提供了重要的工具和经验。

对于后生们来说，有人在研究你正在想的可能有点疯狂的想法一定很振奋吧，这些就存在于我们生活中、组成了我们的原子，有人正尝试着去用它们形成差不多大小的新东西。

或许下次老师说什么你有些怀疑的东西的时候，你也可以做一个颠覆的人——只要再想深入一些。

作者：Strad Slater

翻译：zhenni

审校：xux

原文链接：

https://williamslater2003.medium.com/holding-a-single-atom-da18a674f559

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间

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【互动问题：你还能想到哪些物理或者数学领域的“颠覆性”的发现？】

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编辑：Dannis

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