摘要：你能想象吗？科学家们终于用“高清摄像机”拍到了自由原子的真实模样！就在不久前，麻省理工学院团队首次在实空间直接成像了“自由原子”，不仅清晰观测到玻色子在玻色–爱因斯坦凝聚态中簇集的量子现象，还捕捉到了费米子反簇集以及它们在BEC-BCS交叉区形成配对的全过程。
你能想象吗？科学家们终于用“高清摄像机”拍到了自由原子的真实模样！就在不久前，麻省理工学院团队首次在实空间直接成像了“自由原子”，不仅清晰观测到玻色子在玻色–爱因斯坦凝聚态中簇集的量子现象，还捕捉到了费米子反簇集以及它们在BEC-BCS交叉区形成配对的全过程。这一突破依赖于全新的“原子分辨显微术”，通过松弛光阱捕获原子云、瞬时开启光学晶格冻结运动，再以荧光或拉曼边带冷却手段成像，科学家们终于实现了对百年量子力学基础——德布罗意波和量子统计性质的直接验证，为实时可视化强关联量子气体开辟了新路径。
为什么“自由原子”如此难以被直接观测？这要从量子力学的基本原则说起。海森堡测不准原理告诉我们，微观粒子的“位置”和“动量”无法同时被精确测定。对于单个原子来说，想要测量它的轨迹，就必然会对它施加外力，改变其运动状态；而如果想测量它的动量，就必须避免强干扰，却又无法确定其具体位置。过去的原子成像技术，比如吸收成像，只能拍摄原子云整体的阴影，无法分辨单个粒子的行为。科学家们一直希望能让原子“自由游走”，保留其本征量子态，同时又能在极短时间内“定格”它们的位置，实现单原子级别的可视化。只有这样，才能直接观察德布罗意波及量子统计效应，验证百年前的理论。
所谓“自由原子”，指的是未被深阱束缚、能够在连续空间内相互作用的超冷原子群体。与以往实验中常见的深光学晶格或磁阱束缚不同，自由原子在弱束缚下保留了更多热运动自由度，呈现出更接近理想气体的状态。在这种状态下，原子之间的量子关联以及热涨落都能得到更真实的展现。首次实空间成像自由原子的突破，不仅能直观捕捉粒子的波动特征，还能揭示玻色–爱因斯坦凝聚中玻色子的簇集现象，以及费米子的反簇集与配对行为，这对德布罗意波及量子统计的验证具有里程碑意义。
回顾理论基础，1924年，法国物理学家路易·德布罗意提出了粒子的波动性假说：所有微观物质粒子都具有波粒二象性。此后，量子力学建立在波函数ψ的概率诠释之上，而德布罗意波则成为波函数实在性的直观来源。对于单个原子来说，其波函数在空间中分布会形成干涉和衍射效应，但由于粒子太小，传统光学手段难以直接成像。玻色–爱因斯坦统计适用于自旋为整数的玻色子，允许多个粒子占据同一量子态，表现为簇集效应；而费米–狄拉克统计适用于自旋为半整数的费米子，遵循泡利不相容原理，表现为反簇集效应。这两种统计行为在宏观凝聚态中都有明显体现，但在自由运动的原子气体中则更为微妙，需要高分辨实验直接验证。
更令人兴奋的是，科学家们还在BEC-BCS交叉区观测到了配对现象。玻色–爱因斯坦凝聚与库珀对超导原理在物理学上看似不同：前者是紧密结合的玻色对，后者是能带中松散的库珀对。BEC-BCS交叉区则是两者的平滑过渡区，在这里可以通过调节原子间相互作用强度，实现从紧束缚对到松散对的可控转换。通过自由原子成像，研究者能够直接测量双原子关联函数，获得配对尺寸与接触参数的信息，为验证多体量子系统的理论模型提供了首个实空间证据。
那么，MIT团队是如何实现这一“量子世界直播”的？首先，他们使用弱光阱对超冷原子云进行“松弛捕获”，保持足够浅的势阱深度，让原子在阱内具有有限的游动自由度，又不会因过强束缚而丧失原本的热涨落特征。随后，原子被转移至弱束缚的红外光阱中，在毫秒级的自由演化中完成相互作用和量子统计效应的自然呈现。接下来，实验团队会在原子云自由演化达到预定时间后，立即开启三维光学晶格，将激光干涉形成的周期性势阱瞬时打开，把当时处于不同位置的原子“冻结”在各自的势槽中。这一过程的开关时间极为关键，通常需在微秒甚至更短的时间内完成，避免原子在激光场建立过程中发生显著扩散，从而失去原位信息。
在原子被光学晶格固定后，研究者使用激发原子荧光的成像方式，通过收集每个势槽中发射的荧光光子来确定单个原子的位置。对于钠原子，采用原子过渡谱线直接激发并收集荧光；而对于锂原子，则结合拉曼边带冷却技术，在冷却过程中维持原子位置不变的同时，减少热涨落带来的成像模糊。最终，成像分辨率达到亚微米级，能够多次重复，对同一原子云进行时序成像。
采集到的单原子荧光图像还需经过复杂的数据处理，包括背景光子去除、点扩散函数反卷积、以及原子位点的亚像素级定位。研究者开发了自动化图像分析算法，通过高斯拟合与最大似然估计相结合，精确提取每个原子的二维位置坐标。在此基础上，进一步计算二粒子相关函数，揭示原子间距分布与量子统计效应。通过分析远程相关函数，还能提取配对峰与短程接触强度，从而获得配对尺寸和相互作用信息。这一数据处理流程为后续理论模型验证和量子多体模拟提供了高精度实验证据。
实验结果令人振奋。在钠原子玻色–爱因斯坦凝聚体实验中，研究者捕捉到了大量玻色子在同一量子态下“簇集”成团的瞬间图像。通过分析单原子成像数据，团队绘制了二粒子关联函数随距离的衰减曲线，观察到在零距离处关联峰明显，而随距离增大效果迅速减弱。这一现象与理论模拟高度一致，直观地展示了德布罗意波的波动性本质，以及玻色–爱因斯坦凝聚中宏观量子相干的形成机制。此前，仅有间接证据支持玻色子簇集，此次实空间直观成像实现了百年理论的首次直接验证。
对于自旋半整数的锂原子气体，实验揭示了费米子因泡利不相容原理而表现出的反簇集特征。通过单原子定位，团队还直接观测到两种自旋态的费米子在适度相互作用下形成配对的过程。在BEC-BCS交叉区，随着相互作用由强到弱转变，配对方式由紧密的玻色对逐渐演化为松散的库珀对。成像中可见，当相互作用趋弱时，配对尺寸迅速增大，这一变化通过远程关联峰的宽度和高度定量提取，为理解超导体中库珀对的宏观涡流和相干性提供了直观参照。
更进一步，团队利用二粒子关联函数的远程衰减行为，结合理论模型，反演得到配对对的典型空间尺度——配对尺寸；同时，通过短程极限的相关函数强度，直接测量了接触参数，表征了双原子在短距离内的强关联程度。这两项量直接关系到多体量子系统的超流相干长度和临界温度，对高温超导、量子模拟以及拓扑量子材料的研究具有重要指导意义。在此前的实验中，这类参数只能通过动量分辨技术或能谱测量间接推断，此次原位成像提供了首个无需傅里叶变换的直接测量方案。
此外，研究者还利用原子数密度涨落与热力学响应的关系，实现了原位温度测量。通过对不同区域的原子数方差细致统计，并结合系统的压缩系数，团队能够在不破坏原子云的情况下，直接推导出气体的局部温度分布。这项技术弥补了传统飞行时间成像只能给出整体平均温度的局限，使未来在研究非平衡量子动力学、热化过程以及多体局域化时，能够获得更丰富的局部热力学信息。
自路易·德布罗意于1924年提出波粒二象性以来，粒子波动性的直接实验证据一直是量子力学领域的核心诉求。此次原位成像实验首次在空间域直接观测到德布罗意波效应及其引发的量子统计行为，为包括玻色–爱因斯坦凝聚和费米子配对在内的基本道理提供了最直观的实证。过去，科学家们只能通过动量分辨或干涉实验进行间接验证，而单原子成像则将验证路径从动量空间“搬回”到真实空间，大幅提升了量子力学基础研究的可视化程度。
正如理查德·费曼所说：“如果你认为你理解了量子力学，那么你肯定没有理解量子力学。”科学的魅力，正是在于不断挑战我们的想象力极限！
来源：红红爱科学