量子气体显微成像技术是冷原子研究科学中的重大突破，在此技术中，科学家们将大量的冷原子装载在光晶格中，利用拉曼跃迁冷却或者电磁感应透明冷却机制，通过高品质显微镜镜头探测光晶格格点中原子受激发射的荧光光子，来精确获得玻色或者费米原子在光晶格中的位置，实现对单个原子的显微成像。由于光晶格参数可通过光场精确调控，因而这种量子气体单点成像的精度远优于光波波长。

    在这套系统中，由于在每个光晶格中只有一个原子，因此可以用于研究原子的各种量子性质；进一步的，原子可以在光晶格中发生隧穿效应，与相邻的原子发生相互作用。此套系统作为量子模拟器开展其他重要科学问题的研究：多体相关的 Hubbard 模型，量子相变，玻色-爱因斯坦凝聚，玻色子超流，多体自旋动力学。

图1 量子气体显微镜拍下光晶格中的单个原子的荧光图像：a）玻色子 87Rb 原子，b）费米子 40K 原子

    早在 2005 年，哈佛大学的 Waseem S. Bakr（目前在普林斯顿大学）使用量子气体显微成像系统实现了对加载光晶格中的 87Rb 原子成像1，如图1，图中的每个绿点表征着一个 87Rb 原子；2015 年英国斯特拉斯克莱德大学的 Stefan Kuhr 通过类似的系统实现了对费米子 40K 原子的成像2。

图2 量子气体显微系统示意图

    在量子气体显微成像系统中，装载于光晶格中原子吸收激发光能量发生跃迁，通过受激辐射，发出光子（比激发光即吸收光的频率稍高），主要就使得原子的量子能态会降到另外一个能量较低的振动能级。这样就可以通过格点上原子的循环受激辐射，实现该格点原子的冷却，另一方面其辐射的荧光精确反应了格点的位置，这样就可以通过高精度显微镜实现原子的成像。

    在具体实验中，原子发出的光子发出的方向是没有办法控制的，但是成像系统只能在一个方向上收集发出的光子进行成像，如图 2，并且镜头的工作距离又决定了其数值孔径不可能太大（实际上文献中报道的，镜头的数值孔径大多不超过 0.8），因此对成像相机的灵敏度要求就很高。

    在上面的两个文献中使用的光学成像相机都不约而同的选择了牛津仪器 Andor Technology 生产的 iXon EMCCD 相机，这得益于这款相机的超高灵敏度、超低读出噪声、高速成像的特性。EMCCD 依靠电子倍增放大采集的光学信号，其探测灵敏度达到单光子级别，早已经在包括冷原子成像等各种弱信号的探测与成像应用中大放异彩。

    iXon EMCCD 相机的主要参数有：

• 像元尺寸 13um @ 1024*1024

• 灵敏度：最大量子效率>95%，单光子级别灵敏度

• 成像速度：26fps @ 全幅，93fps @ 512*512，697 @ 128*128

• 制冷温度： -95℃

• 1-1000真实线性电子倍增增益

• 读出噪音：<1e-@EM增益；暗电流@-80℃：0.00025e-/pix/s

参考文献

原文链接：《量子气体单位点显微成像》

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