国家首例:清迈大学科学家成功拍摄单原子照片

2019年9月20日

合作与交流项目处及校友中心

     中学时,科学课老师曾教过,这个世界就是由无数个数不清的原子组成的,但是我们的肉眼是无法看到原子的,原子的大小等同于头发的百万分之一,如果我们想要在一枚1铢硬币上找一个原子,其难度相当于是要在月球上找一枚1铢硬币。在刚刚结束不久的国家科学周上,清迈大学科学家团队以惊人的努力成功完成了“铷原子”的拍摄。

     由Waranont Anukool博士(图一)及其两名研究生 Ms. Jindarassamee Phrompao 、Mr. Krisana Srakeaw组成的物理学工程师团队使用激光和自主研发的控制系统将铷原子的温度降低了50微开尔文(该温度低于宇宙最低温大概十万倍),然后在与月球环境相似的真空环境中,十亿多个原子被投入到专门设计的激光光束中,只有一个会被捕捉到并用CCD镜头记录下来,而这一切的发生就在四分之一秒的时间里。

(图一)清迈大学科学学院物理与材料科学系量子原子光学实验室研究团队,右五为Waranont Anukool博士,右四为Mr. Krisana Srakeaw,右六为Ms. Jindarassamee Phrompao.

     很多人会根据科学教材里的模型想象以为即将看到的照片是像乒乓球一样的电子绕着一定的轨道运行,或者是像篮球一样的核,但事实上,研究团队捕捉到的图像是光(或者叫光子),是从铷原子释放出来的、从运动状态进入基础状态然后进入CCD镜头形成的一个光点,如图二所示,表格显示的是2019年9月15日1,000次实验的频率统计值(图三)。

图二左图为实验操作台,由多个零部件组成,其中过半的零部件是研究团队成员自己研发生产的。右图为CCD镜头记录下的光/光子照片,右边为光子数量显示图,黄点为被释放的光子最多的点也就是铷单原子,如果没有原子,该图会呈现全黑色。

图三为CCD镜头对光子数量的1000次记录图,每次记录用时为50毫秒。同一个记录点,在没有原子的情况下出现左边柱状图记录的光子数量峰值,是背景光所致;当原子出现,光子数量平均增加150个,如右边柱状图所示,这是由于单原子和CCD镜头的立体角的基态返回性质所致。

     使单原子变得可见是泰国首例,而目前全世界能做到这一点的研究室寥寥无几,使单原子变得有迹可循并且可控的用处是什么呢?

     Waranont博士解释说,前面所提到的单原子可应用于量子电脑的评估和数据存储,这是一种将对我们的世界带来巨大改变的设备,将“纸上谈兵”的科学论文变成现实,比如,计算速度可以成倍提高,帮助我们解决现有设备或方法无法攻克的难题,而速度至关重要,速度将决定股票市场的赢家,并会在更短的时间内产生更多的利润。快速处理大数据的能力将导致依赖模型预测市场的传统经济崩溃并促使新的经济体系的产生。新药的设计将实现快速有效地对症下药。量子电脑还可以用于搜索和制作具有新功能的材料,可以产生其他链接效应。

     研究团队希望此次的重大研究突破可以获得支持并持续进一步运用,衍生出多种新技术,不仅仅是量子电脑,应该涵盖所有量子信息科学和量子传感器,而这些都是未来将帮助 泰国创建具有高附加值的先进创新经济的关键优势之一。

     研究团队表示,此次研究的突破,离不开清迈大学的研究环境的支撑,同时要特别感谢泰国国立天文研究所物理学卓越中心、同步光研究所为研究所需设备提供的大力支持及玛哈纳功科技大学提供的CCD镜头,给了我们能看见单原子的“眼睛”;感谢美国哈佛大学博士生Mr. Polnop Samutpraphoot和德国马克斯·普朗克学会博士后Dr. Pimonpan Sompet的支持与帮助,感谢新加坡国立大学量子技术研究中心Dr. Jirawat Tangpanitanon给予的指导。
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