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一个学生如何用商店买的相机拍下一个原子

一个锶原子漂浮在两个电极之间。大卫·纳德林格(David Nadlinger)/牛津大学(University of Oxford)

仔细一看,你就会发现:一个淡紫色的像素悬挂在两个圆柱形针头之间的黑场中。看起来像一个闪闪发光的尘埃点的东西实际上要小得多:一个锶原子,在牛津大学的一台离子捕集器中被隔离。

很小。真的很小。每个原子的直径约为0.25纳米(或十亿分之一米);数十亿个原子可以舒适地放在单个红血球中。

你如何拍摄一张如此微小的物体的照片?一位名叫大卫·纳德林格的摄影师使用了一台标准的数码相机,但他在牛津大学的离子阱量子计算实验室(Ion Trap Quantum Computing lab)的帮助下拍摄了这张照片,2月12日,他正在那里攻读博士学位,Nadlinger在由工程和物理科学研究 ... 会组织的一次全国科学摄影比赛中获得了第一名,因为他拍摄了这张罕见的单光原子照片。

“我认为让这张照片特别有趣的是你可以看到周围的装置,”Nadlinger在现场说科学。”我想人们也会惊讶于原子看起来有多大。……我希望我没有用这张照片毁掉100年的科学教育——原子真的小得难以置信!”纳德林格说:

说得很清楚,这张照片中央的紫色斑点并不是锶原子本身的真实大小;它是由原子重新发射的周围激光阵列发出的光。Nadlinger说,当锶沐浴在特定波长的蓝光中时,它产生的辉光比原子本身的半径宽数百倍(约四分之一纳米,即2.5x10到-7米)。用肉眼几乎看不到这种辉光,但只要一点相机操作,这种辉光就会显现出来。

仔细观察:紫色的点是单个锶原子发出的光。(David Nadlinger/牛津大学)

“你在图片中看到的外观尺寸就是我们所说的光学像差,”Nadlinger说我们所看到的镜头并不完美,也有轻微的失焦和曝光过度。你可以把它比作看夜空中的星星,它们看起来很亮,但实际上比看起来的要小得多,仅仅因为我们的眼睛(或相机)没有足够的分辨率来处理它们。

所以,用肉眼看单个原子是不可能的。然而,在实验室里捕获一个离子要可行得多。

要想用脚尖捕获一个离子

来 ... 这样的单原子照相机,研究人员首先需要把它变成一个离子:一个质子和电子数量不等的原子,给它一个正电荷或负电荷我们只能捕获带电粒子所以,我们从烤箱中取出一股中性锶原子流,用激光照射它们,选择性地将它们光离子化。这样,我们可以产生单个离子。

当放置在离子阱装置中时,单个原子被四个叶片状的电极固定在适当的位置,就像Nadlinger照片中看到的锶点的上方和下方一样(另外两个电极在视野之外)。这些电极产生电流,使原子保持在垂直轴上;原子两侧的两个针状圆柱体使其保持水平的水平。“KdSPE”“KdSPs”由于这些电极的电流相互作用,产生了所谓的旋转马鞍电位。你可以在网上看到视频,人们真的拿起一个马鞍,旋转它,并把一个球放在上面;因为旋转,球实际上停留在马鞍的中心。“这就是这些电极用来限制离子的作用,”Nadlinger说,

一旦一个原子被限制,一系列的激光就会照射到原子上,从而向各个方向散射光;在Nadlinger的照片中,你可以看到蓝色激光贯穿整个原子的痕迹

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