量子世界的“高清相机”：科学家首次直接捕捉原子波包的连续演化

摘要：本文是解读：Joris Verstraten, Kunlun Dai, Maxime Dixmerias, Bruno Peaudecerf, Tim de Jongh, and Tarik Yefsah，In Situ Imaging of a Single

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本文是解读：Joris Verstraten, Kunlun Dai, Maxime Dixmerias, Bruno Peaudecerf, Tim de Jongh, and Tarik Yefsah，In Situ Imaging of a Single-Atom Wave Packet in Continuous Space，PHYSICAL REVIEW LETTERS 134, 083403 (2025)文章。

在量子力学的世界里，微观粒子既是粒子又是波，它们的状态由“波函数”描述。然而，直接观测单个原子波函数在空间中的实时演化，一直是科学家面临的巨大挑战。近日，巴黎高师（ENS）和法国国家科学研究中心（CNRS）的研究团队在《物理评论快报》上发表了一项突破性成果：他们利用光学晶格和量子气体显微镜技术，首次实现了对单个原子波包在连续空间中自由扩展的高精度成像，测量精度超过99%。这项技术如同一台“量子世界的显微镜”，让我们得以直观看到原子波函数的动态变化。

从教科书到实验室：验证薛定谔方程的预言

薛定谔方程是量子力学的核心方程，它预言了波包（即粒子的概率分布）会像“气球膨胀”一样随时间扩散。然而，过去实验多通过干涉或散射间接验证这一现象。此次研究中，科学家将锂-6原子冷却到接近绝对零度，并将其束缚在一种名为“光学晶格”的周期性光场陷阱中。通过精密控制激光，他们让原子处于近乎理想的二维高斯波包状态（类似于一个对称的钟形曲线），然后突然关闭陷阱，让波包自由扩展。

通过重复数百次实验并统计原子的最终位置，研究人员发现，波包的宽度随时间线性增长，与薛定谔方程的预测完全一致。“这就像在实验室里重现了教科书中的经典场景，但此前从未有人能以如此直接的方式观察到它。”论文第一作者Joris Verstraten解释道。

关键技术：光学晶格与量子气体显微镜

研究的关键在于两项技术的结合：

1. 光学晶格：

光学晶格是什么？可以理解为用激光制造的“盒子”，每个“盒子”里可以困住一个原子。通过三束激光交叉干涉，研究人员构建了一个三角形格点的光学晶格，每个格点相当于一个微小的“原子监狱”。通过调节激光强度，他们可以精确控制陷阱的深度，从而调整原子的初始动量分布。这个方法已经在冷原子物理中使用多年，但以前只是用来操控原子，而不是用来成像。

研究团队的关键思路是，先让原子自由扩散，然后再用光学晶格重新捕获。

他们先在光学晶格中冷却和囚禁单个原子，确保它们的初始位置已知。然后关闭光学晶格，让原子波包在连续空间中扩散，使其完全丧失初始位置记忆。等波包扩散到一定规模，再重新打开光学晶格，将原子捕获到最近的“盒子”中。

2. 量子气体显微镜：

这一实验的核心挑战是，如何确保原子不会在重新捕获时跳到远处的晶格点？因为如果跳动过大，测量数据就会被严重污染。

所以，当波包扩展后，研究人员通过精确控制光学晶格开启速度，将自由运动的原子“钉扎”到最近的格点上，并通过拉曼边带冷却（RSC）技术增强荧光信号，最终用显微镜捕捉每个原子的精确位置。这一过程需要极快的响应速度（微秒级），以避免波包在钉扎过程中进一步扩散。

实验结果显示，原子被钉扎到最近格点的概率高达99%，且波包宽度的测量误差小于1%。这种精度使得研究者能够细致分析波包扩展中的细微效应，例如激光关闭的非瞬时性对动力学的影响。

结果就是，实验团队获得了一张超高分辨率的单原子波函数“照片”。这直接验证了薛定谔方程对自由粒子波包扩散的预测。换句话说，这是对量子力学基本理论的一次最直接的实验验证之一。

超越单粒子：为量子多体系统打开新窗口

这项技术的意义不仅限于验证基础理论。论文通讯作者Tarik Yefsah指出：“我们的方法为研究连续空间中的量子多体系统提供了全新工具。”例如，在超冷原子气体中，粒子间的相互作用可能导致分数量子霍尔态、拓扑超流体等奇异量子态。传统方法难以直接测量这些系统的空间关联函数，而通过量子气体显微镜，科学家有望以单原子分辨率揭示其微观结构。

此外，该技术还可应用于量子计算和量子模拟领域。通过精确操控波函数的投影过程，未来或能实现更高效的量子态制备与测量。

结语：量子成像的新纪元

这项研究不仅将教科书中的理论转化为实验室中的现实，更标志着量子成像技术迈入新阶段。正如编辑在《物理评论快报》的推荐语中所说：“这项工作为探索连续空间中的量子多体物理铺平了道路，其影响可能远超我们的想象。”或许不久的将来，科学家就能像观察晶体结构一样，直接“看到”量子材料中隐藏的奥秘。