十多年來，物理學家已經能夠利用專門的顯微鏡精確定位單個原子的位置，其精度超過千分之一毫米。然而，這種方法迄今只能提供x 和y 座標。原子的垂直位置（即原子與顯微鏡物鏡之間的距離）資訊仍很缺乏。研究人員設計出了一種用單一圖像精確測量原子三維位置的方法，透過促進對原子的精確操縱和跟踪，徹底改變了量子力學實驗和材料開發。

新方法可透過單一影像確定原子的所有三個空間座標。這種由波昂大學和布里斯託大學開發的方法是基於一種巧妙的物理原理。這項研究最近發表在專業期刊《物理評論A》。

測量第三維度的挑戰

在生物課上用顯微鏡觀察過植物細胞的人可能都能回想起類似的情況。很容易看出，某一葉綠體位於細胞核的上方和右側。但它們是否位於同一平面上呢？然而，一旦調整顯微鏡的焦距，就會發現細胞核的影像變得更加清晰，而葉綠體的影像卻變得模糊不清。其中一個一定比另一個高一點，一個比另一個低一點。不過，這種方法無法精確顯示它們的垂直位置。

實際情況就是這樣：各種”啞鈴”的旋轉方向不同，表示原子位於不同的平面上。圖片來源：IAP/波昂大學

如果要觀察單一原子而不是細胞，原理也非常相似。所謂的量子氣體顯微鏡可用於此目的。它可以直接確定原子的x 座標和y 座標。然而，要測量其Z 座標（即到物鏡的距離）則要困難得多：為了確定原子位於哪個平面上，必須拍攝多幅影像，並在不同平面上移動焦點。這是一個複雜而耗時的過程。

把圓點變成啞鈴

波昂大學應用物理研究所（IAP）的Tangi Legrand 解釋說：「我們現在已經發展出一種方法，可以一步完成這一過程。為了實現這一目標，我們使用了一種早在上世紀90 年代就已在理論上被人們所熟知，但尚未在量子氣體顯微鏡中使用過的效應”。

要對原子進行實驗，首先必須將其大幅冷卻，使其幾乎不動。然後，可以將它們困在雷射的駐波中。然後，它們就會滑入波谷中，就像雞蛋坐在雞蛋盒裡一樣。一旦被困住，為了顯示它們的位置，就將它們暴露在另一束雷射下，這束雷射會刺激它們發光。由此產生的螢光在量子氣體顯微鏡下顯示為一個略微模糊的圓形斑點。

量子氣體顯微鏡產生的原子影像通常是一個圓形、略微模糊的斑點。研究人員將其扭曲成啞鈴狀（圖片顯示的是理論預測）。啞鈴指向的方向表示z 座標。圖片來源：IAP/波昂大學

安德烈亞-阿爾貝蒂博士解釋說：”我們現在已經開發出一種特殊的方法，可以使原子發出的光的波面變形。變形的波面在照相機上產生了一個圍繞自身旋轉的啞鈴形狀，而不是典型的圓形斑點。這個啞鈴指向的方向取決於光線從原子到相機的距離”。這位研究員目前已從IAP 轉到位於加興的馬克斯-普朗克量子光學研究所，他也參與了這項研究。

「因此，啞鈴的作用有點像羅盤上的指針，讓我們可以根據它的方向讀出z坐標，」迪特爾-梅斯赫德（Dieter Meschede）博士說。波昂大學跨學科研究領域”物質”的成員之一。

對量子力學實驗非常重要

透過這種新方法，只需一張圖像就能精確測定原子在三維空間中的位置。例如，如果你想用原子進行量子力學實驗，這一點就非常重要，因為通常必須能夠精確控製或追蹤原子的位置。這樣，研究人員就可以使原子以所需的方式相互影響。

此外，這種方法還可用於幫助開發具有特殊特性的新型量子材料。布里斯託大學的Carrie Weidner 博士解釋說：”例如，我們可以研究原子按一定順序排列時會產生哪些量子力學效應。”這將使我們能夠在一定程度上模擬三維材料的特性，而無需合成它們”。

編譯自: ScitechDaily