摘要：2025年5月5日，《物理评论快报》刊登的论文证实了物理学界期待已久的画面：麻省理工学院团队利用原子分辨显微镜技术，首次在自由运动状态下拍摄到单个原子间的量子关联。这项突破相当于给微观世界装上了每秒万亿帧的高速摄像机，让德布罗意波函数叠加、费米子配对等抽象概念

2025年5月5日，《物理评论快报》刊登的论文证实了物理学界期待已久的画面：麻省理工学院团队利用原子分辨显微镜技术，首次在自由运动状态下拍摄到单个原子间的量子关联。这项突破相当于给微观世界装上了每秒万亿帧的高速摄像机，让德布罗意波函数叠加、费米子配对等抽象概念变成了肉眼可见的光斑阵列。

图释：上图：两张渲染图显示了原子阱（红色）中的流动原子如何通过施加的光晶格突然冻结在原地，并通过拉曼边带冷却成像。下图：三张显微镜图像显示（从左到右）玻色子 23Na 形成玻色-爱因斯坦凝聚态;弱相互作用的 6Li Fermi 混合物中的单一自旋态;并且两者都是强相互作用的费米混合物的自旋态，直接揭示了对的形成。图片来源：麻省理工学院

​实验室里，钠原子云在激光形成的牢笼中躁动。当研究人员突然开启光学晶格——一种由交叉激光构成的三维光网——这些以接近绝对零度运动的粒子瞬间被定格，如同博物馆里悬浮的昆虫标本。随后经过拉曼边带冷却处理，每个原子都像夜空中的星辰般发出荧光，被高灵敏相机逐个捕获。这种技术突破的关键在于：既要让原子保持相互作用时的真实状态，又要在百万分之一秒内完成冻结与成像，相当于在火山喷发瞬间给每粒岩浆拍照。

观察玻色子的实验令人想起1924年德布罗意的博士论文答辩。当时评审教授们难以相信物质波的存在，而今天显微镜图像清晰显示出钠原子云呈现波函数叠加状态——原本应该随机分布的原子们自发聚集成团，这正是玻色-爱因斯坦凝聚态的特征。这种量子效应在2001年让沃尔夫冈·克特勒获得诺贝尔奖，但当时只能通过吸收光谱间接验证。新技术首次让单个原子的集体波动成为可见的现实，就像从卫星云图升级到追踪每颗雨滴的轨迹。

更激动人心的画面来自锂原子实验。当两种自旋状态的费米子被释放到陷阱中，图像显示原本应该互相排斥的同种粒子开始成对结合。这种配对现象正是超导体中库珀对的形成基础，但以往只能在固体材料中间接测量。现在物理学家首次在自由空间目睹这个过程的实况，相当于直接观察到量子世界的“自由恋爱”。研究组成员弗莱彻说：“那些在草稿纸上画了五十年的费米面配对图，今天终于有了实体照片。”

这项技术革新让量子模拟实验进入可视化时代。过去研究强关联电子系统就像盲人摸象，只能通过输运特性反推内部结构。现在可以直接观察人工构建的量子系统——比如模拟高温超导材料中的电子行为——看着它们如何在光晶格中形成条纹相、电荷密度波等奇异状态。研究团队下一步计划探索量子霍尔效应，试图捕捉分数量子态中准粒子的踪迹。或许不久的将来，拓扑量子计算所需的马约拉纳费米子也会在类似实验中显形。

当被问及这项技术何时能商业化时，主导者茨维尔林教授展示了一张对比图：左边是1986年扫描隧道显微镜首次拍摄的硅表面原子排列，右边是他们刚获得的原子运动轨迹。“从看见静止原子到捕获运动关联，我们用了四十年。但要达到工业级应用，可能还需要新一代量子传感器的突破。”

参考文献：

Ruixiao Yao et al, Measuring pair correlations in Bose and Fermi gases via atom-resolved microscopy, Physical Review Letters (2025). journals.aps.org/prl/accepted/ … 5023fc6b429b2f7d4405 . On arXiv : DOI: 10.48550/arxiv.2411.08780

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来源：科学剃刀