7、光晶格中量子气体的单格点和单原子分辨成像与操控

光晶格中量子气体的单格点和单原子分辨成像与操控

1 高分辨率和单原子灵敏荧光成像

1.1 传统成像技术的局限

在超冷量子气体研究中，吸收成像作为一种标准成像技术，难以实现单原子灵敏度的检测。这主要是因为激光束与单个原子相互作用时吸收有限，在典型实验条件下，这种吸收小于伴随的光子散粒噪声。尽管分辨率低至 1μm 的高分辨率图像已成功用于记录捕获量子气体的原位吸收图像，但仍未达到单原子灵敏检测的水平。

1.2 荧光成像的优势

荧光成像能够克服吸收成像信号 - 噪声比有限的问题，为高分辨率成像与单原子灵敏度的结合提供了可行途径。通过激光诱导荧光，并将原子捕获在非常深的势阱中，单个原子可以散射数十万光子，其中数千个最终被检测到，从而实现单原子检测的优异信号 - 噪声比。

1.3 荧光成像的发展与应用

早期，D. Weiss 团队首次将荧光成像应用于光晶格，他们将原子从磁光阱加载到晶格常数为 6μm 的三维晶格中。然而，对于典型的凝聚态实验，这种大间距晶格由于相邻势阱间的隧穿耦合几乎消失，用途有限。为了将荧光成像扩展到分辨率与典型晶格间距（d = 500nm）相当的范围，需要使用大数值孔径（NA）的显微镜物镜，因为经典光学中最小可分辨距离由 σ = λ/(2NA) 决定。

近期，Bakr 等人和 Sherson 等人展示了高分辨率成像技术，并将其应用于二维超流体到莫特绝缘体的相变成像。实验步骤如下：
1. 在紧密约束的势平面中创建二维玻色 - 爱因斯坦凝聚体。
2. 增加二维简单立方型晶格的深度，使系统处于超流态或莫特绝缘态。
3. 突然将晶格深度增加到 300 μK，