0
  • 聊天消息
  • 系统消息
  • 评论与回复
登录后你可以
  • 下载海量资料
  • 学习在线课程
  • 观看技术视频
  • 写文章/发帖/加入社区
会员中心
创作中心

完善资料让更多小伙伴认识你,还能领取20积分哦,立即完善>

3天内不再提示

教你们如何成为一名原子捕手

中科院半导体所 来源:中科院物理所 作者:Strad Slater 2021-04-19 14:06 次阅读

很多朋友都用过显微镜,通过显微镜观察一些微小的物体可谓是帮人类打开了新世界的大门。那么有没有可能用类似的手段观察到更小的物体——比如单个原子呢?

我们学习中学物理时,老师告诉我们用普通的光学显微镜来观察一个原子是不可能的,因为原子的尺度比可见光的波长要小。

新西兰奥塔哥大学的副教授、原子物理系的主管米克·安德生博士(Mikkel Andersen)的老师也是这么教的,但安德生没有接受这个说法,甚至用他童年的好奇心去克服困难,创造了一种捕获、孤立和拍摄一个原子的技术。 我最近得以和他一起探讨这个研究,不过在我们深入之前,先来了解一下:为什么用光来观测单个原子这件事如此困难?

01为什么说不可能呢?

我们耳熟能详的首要原因就是,光的波长要远大于单个原子的大小。普通光学显微镜依赖样品的反射光波来工作,它的镜片可以通过折射来收集光线,就和我们用眼睛观察东西是一样的。

光学显微镜

就像射击一样,较长波长的光波很难击中小小的原子并与之发生相互作用。 还有另一个问题,“抓住”一个原子很难,不光是因为它们太小了,还因为它们运动得很快,原子以接近声速的速度飞来飞去,连一群都捕获不到,更何况是单个的原子呢。 你以为就只有这些问题吗?原子们还喜欢一起“玩”,所以抓到它们其中的一个,并且把其他同伴分开非常困难。 那么有没有什么办法能够实现这一点呢?

02用激光让原子“冷静”下来

首先我们需要让跑太快的原子慢下来。安德生选择的是利用一种捕获微小样品的激光冷却技术,这个技术就像一把光做的镊子,可以减缓单个原子得运动速度并夹住它。

利用6束不同方向的激光束缚原子

光波不会加速,但是光有动量,动量是可以在电磁场和物体之间发生交换的。这样我们就可以理解为光提供了一个“光学力”。 光线“砸在”所有它照射的物体上,当然也包括你我,但我们日常看到的物体都太大了,以至于这个作用微乎其微,可以忽略。 可是到了纳米级别的微小尺度上,这个影响就显现出来了,因为原子太小了,所以光的作用就变得很重要。我们举个例子——彗星和尾巴。彗星的彗尾就是太阳光与彗星上微观物质相互作用产生的。

“激光冷却”就是利用这个作用的过程,可以将物质的温度降至绝对零度以上百万分之一度。将一束能量很高的激光迎面打到运动的原子上,激光的光波便可以使原子的运动速度减慢到可以观测的程度。(注:一般所说的“冷却原子”就是减缓原子速度的意思。) 当然这里的激光也不是随便的激光,它的频率必须和目标原子的震动频率相同,有了这点要求,激光和原子的选取就都需要考虑,为了将成本降低,安德生选择了铷原子,因为它的频率与影碟机里用来读取CD的激光是相一致的,这种激光成本很低。

铷原子模型

03从多到一

现在我们来讲讲单个原子的问题,不过安德生是从50个原子开始的,激光冷却下来这一堆原子后,他们就需要从中“敲出”一个来。他们利用了另外一束“准共振”光波,所谓的准共振光,就是接近原子频率但不完全相等的光波,可以让原子群内部的原子互相碰撞,这个过程需要不断重复,产生足够的能量,直到撞出单个的原子

分子被光束打散

有一些研究团队也做过相似的实验,但成功率只有大约一半;安德生说,光和原子聚集体碰撞时产生的能量对于实验的完成率有很大影响。 原子聚集体更可能一对对地弹出原子,如果没有控制原子团的初始数目的话,那他们就有一半的可能利用奇数个原子开始实验,原子一对对分离后可以剩余一个单原子,这也是为什么他们有50%的成功几率。要通过控制原子团内部碰撞释放的能量来解决这个问题,而这个能量需要能使一个原子分离而又不能让它们成对。

04纳米科学的深空技术

终于,我们在一个大概合适的位置有了一个合适的原子,为了能看到它,我们首先需要一个镜片,一种用于太空望远镜的可以看深空的镜片。

捕获这个原子至镜片焦点位置时,我们可以发射一束准共振光使粒子发射出荧光,荧光成像就是这么个过程。这时候深空望远镜镜片就派上了用场——它们专门用来在无边的黑暗中探测一点点光子。 此时你就只需要按下快门键了。现在我们已经完成了冷却、捕获、分离、拍摄一个原子这几个步骤了。

安德生实验中单个铷-85原子图像,来源:奥塔哥大学原子物理实验室官网

05从一到多

上面那个照片是2010年照的,之后他们开始更进一步,在研究中增加原子,来研究控制化学反应的基本过程。 他们利用光镊子来使两个单独的原子结合在一起,然后再测量这个过程释放的能量。最近他们甚至把原子的数量提高到了三个。

在讨论近期科研内容时,安德生还告诉我他们在尝试人工纠缠原子。高度量子纠缠的条件下,两个纠缠的粒子即使在相距很远的情况下也都可以决定对方的状态。相比于单个原子,只需要给冷却激光加上更多的控制条件,就可能操作两个原子,使其互相纠缠。 这些东西听起来是不是还挺带感的?但能用来干什么呢?

06原子精度的未来

首先,这个方向的研究可能可以用于量子计算机,虽然这并非是研究人员的本意,但看起来控制单个原子这样的技术确实对于在量子计算机中实现量子比特有帮助。 单原子控制技术同时也给我们实现晶体管的物理极限提供了路径,这样的话晶体管的尺寸就可以降到双原子量级了。

单原子晶体管模型

我们实现了“掌握一个原子”的技术,便可以深入了解原子是怎么和孤立环境反应的,又是怎么相互结合的,或者还可以创造出一些本来不能通过自组装合成的分子。 虽然我们已经看到了研究的“成品”,但是我们距离商业化量子比特或是制造原子精度的产品还是有一些时间,安德生给我解释了这样的研究无法变现的原因。

他解释说,这个工作其实对于需要全面控制的原子系统来说很基础,只是目前这个系统非常脆弱,而且用铷原子来研究已经节省了很多成本(利用了市场中较成熟的激光技术),如果要更换其它原子,那就需要更换不同频率的激光、准共振光,这些也会消耗许多成本,引入更多原子的同时也会使过程更复杂。在合成新的分子时,大多数原子结合的形式也不是化学稳定的,让原子们避开环境中的原子、和特定原子结合也需要很多能量。

安德生和他的团队在查看他们用来控制原子的设备

当然这个技术本身是否合适应用也是个问题——新方法应用的前提,要么是能制造出传统方式不能生产的产品,要么是在成本和效率方面都比其他方法优异。

07写在最后

这些困难看起来好像都挺棘手的,但安德生认为他们的研究对于后续需要解决的相关问题提供了重要的工具和经验。 对于后生们来说,有人在研究你正在想的可能有点疯狂的想法一定很振奋吧,这些就存在于我们生活中、组成了我们的原子,有人正尝试着去用它们形成差不多大小的新东西。 或许下次老师说什么你有些怀疑的东西的时候,你也可以做一个颠覆的人——只要再想深入一些。

原文链接:https://williamslater2003.medium.com/holding-a-single-atom-da18a674f559

编辑:jq

声明:本文内容及配图由入驻作者撰写或者入驻合作网站授权转载。文章观点仅代表作者本人,不代表电子发烧友网立场。文章及其配图仅供工程师学习之用,如有内容侵权或者其他违规问题,请联系本站处理。 举报投诉
  • 激光
    +关注

    关注

    19

    文章

    3120

    浏览量

    64361
  • 光学
    +关注

    关注

    3

    文章

    745

    浏览量

    36168
  • 原子
    +关注

    关注

    0

    文章

    84

    浏览量

    20278

原文标题:如何成为一名原子捕手

文章出处:【微信号:bdtdsj,微信公众号:中科院半导体所】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。

收藏 人收藏

    评论

    相关推荐

    京东技术专家的修炼之道——成为一名“六边形战士”

    近期受邀参加【中心成长加油站xUP技术人】的技术大咖直播活动,分享了我在京东工作近10年的经验与成长。2015年加入京东以来,我经历了后端架构、大数据、基础算法和业务算法等多个技术领域,获得了集团金项奖、最美京东人、集团算法大牛等多项荣誉,并发表了30余篇专利和数篇顶级会议论文,也多次代表京东零售担任行业技术峰会的出品人和分享人。 以下是我直播中的重点讲述内容,希望通过本次分享,能在这条充满挑战和机遇的技术修炼之路
    的头像 发表于 09-11 15:58 455次阅读
    京东技术专家的修炼之道——<b class='flag-5'>成为</b><b class='flag-5'>一名</b>“六边形战士”

    评测活动第一名李工:我用Jupiter画了个原理图,然后成了段子手…

    为昕邀请了这次参与Jupiter评测活动的第一名获奖者李工@李工写下评测感想,没想到,是位工程师界的段子手——爆笑时刻到来→李工感想各位EDA界的老铁们,听我给你们吹个牛!最近我参加了为昕软件试用
    的头像 发表于 07-31 17:42 755次阅读
    评测活动第<b class='flag-5'>一名</b>李工:我用Jupiter画了个原理图,然后成了段子手…

    软通动力荣获2023年中国IT服务市场第一名

    近日,赛迪顾问最新发布《2023-2024年中国IT服务市场研究年度报告》。报告中,软通动力凭借在数字化转型浪潮中卓越的数字化能力和表现,持续领跑IT服务市场,位列2023年中国IT服务市场第一名
    的头像 发表于 07-31 10:18 392次阅读

    润和软件连续四年蝉联数字业务类解决方案市场第一名

    ,连续四年蝉联数字业务类解决方案市场第一名。在细分领域:数字信贷系统解决方案子市场持续保持第一名,数字银行解决方案子市场稳居第二,开放银行解决方案子市场上升至第三。   数字业务类
    的头像 发表于 07-31 10:10 507次阅读

    Create 2024百度AI开发者大会: 未来开发应用就像拍短视频样简单

    “未来,自然语言将成为新的通用编程语言,你只要会说话,就可以成为一名开发者,用自己的创造力改变世界。”
    的头像 发表于 04-16 16:19 392次阅读

    美国将携手日本,在下次人类登月任务中共同前往月球

    会议过程中,双方领导人重点讨论了两国在科技及教育领域的深度合作。拜登指出,“这种合作已经扩展至月球探索。两日本宇航员将加入美国未来的登月任务,其中一名将成为首位登上月球的非美国籍人士。”
    的头像 发表于 04-11 15:57 422次阅读

    一名资深的元器件代理商

    进入这个行业也十多年了,从研发做到销售再自己代理些大家熟悉的品牌,也算上海厚声最大的代理商。 我现在做的也没有别人那么广,但是有需要连接器,阻容二三极管的道友可以找我,还是能帮上点忙的
    发表于 04-08 14:48

    如何成为一名嵌入式C语言高手?

    如何成为一名嵌入式C语言高手? 嵌入式系统是当今科技领域的核心,而C语言则是嵌入式系统开发中最常用的编程语言之成为一名嵌入式C语言高手
    发表于 04-07 16:03

    华润微电子以第一名的成绩荣获新吴区区长质量奖

    近日,无锡高新区(新吴区)召开2023年度高质量发展总结暨2024年工作推进会,会议隆重表彰了新吴区区长质量奖单位,华润微电子以第一名的成绩荣获新吴区区长质量奖。
    的头像 发表于 04-07 09:19 610次阅读
    华润微电子以第<b class='flag-5'>一名</b>的成绩荣获新吴区区长质量奖

    如何成为一名嵌入式C语言高手?

    如何成为一名嵌入式C语言高手? 嵌入式系统是当今科技领域的核心,而C语言则是嵌入式系统开发中最常用的编程语言之成为一名嵌入式C语言高手
    发表于 03-25 14:12

    单片机如何通过代码控制硬件:一名工程师的分享

    今天跟大家聊聊单片机是怎样通过代码来操控硬件的。作为一名单片机工程师,我们平时的工作就像是给单片机编写“指令集”,让它按照我们的意图去驱动各种硬件设备。
    的头像 发表于 03-06 14:46 1387次阅读
    单片机如何通过代码控制硬件:<b class='flag-5'>一名</b>工程师的分享

    SpaceX成功实施载人航天任务,四宇航员升空

     3月4日,SpaceX公司利用载人龙飞船“奋进号”成功完成了美国国家航空航天局(NASA)的第八次载人航天任务(Crew-8),向国际空间站运送了三美国宇航员和一名俄罗斯宇航员
    的头像 发表于 03-04 14:37 763次阅读

    教你几种电路分析的高效方法

    教你几种电路分析的高效方法
    的头像 发表于 12-15 09:16 936次阅读
    <b class='flag-5'>教你</b>几种电路分析的高效方法

    一名高职生成为开源代码顶级贡献者

    3万行代码,和华为的5开发者起登上由开放原子开源基金会OpenHarmony社区官方发布的顶级贡献者榜单,在数千位代码贡献者中位列前10。这是鸿蒙操作系统开
    的头像 发表于 12-13 08:14 578次阅读
    当<b class='flag-5'>一名</b>高职生<b class='flag-5'>成为</b>开源代码顶级贡献者

    javascript的文件扩展

    流行的Java的声望。从那时起,JavaScript迅速赢得了开发者的喜爱,并成为互联网世界中最重要的编程语言之。 文件扩展.js通常
    的头像 发表于 12-03 11:42 1508次阅读