中科大重大突破！單離子超分辨成像將實現

我校郭光燦院士團隊在冷原子超分辨成像研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、黃運鋒、崔金明等人在離子阱系統中實現了單個離子的超分辨成像，該成果12月23日發表在國際知名期刊《物理評論快報》上。

冷原子系統，包括離子阱中囚禁的離子和光場中囚禁的原子等，是研究量子物理的理想實驗平臺，也是進行量子模擬、量子計算和量子精密測量實驗研究的重要物理系統。冷原子系統中的核心實驗技術之一是高分辨單粒子成像。近十年來，冷原子系統的顯微成像技術飛速發展，涌現出了量子氣體顯微鏡、光鑷原子陣列、高分辨率囚禁離子成像等先進技術。然而這些技術仍受限于基本的光學衍射極限，分辨率只能達到光學波長量級，難以用于研究波函數細節相關的量子現象，研究這類問題需要光學超分辨成像。

眾所周知，光學超分辨成像已經在化學和生物領域發展成為成熟的工具，并由此導致了2014年的諾貝爾化學獎。然而由于冷原子實驗的復雜性，將超分辨成像技術應用于冷原子系統極具挑戰。此前國際上對單原子（離子）直接的超分辨成像尚未取得進展。

在本實驗中，研究團隊借鑒經典成像領域的受激耗盡超分辨成像方法(STED),結合冷原子系統的原子量子態初始化和讀取技術，首次在離子阱中實現了單個冷原子（離子）的超分辨成像。實驗結果表明該成像方法的空間分辨率可超越衍射極限一個量級以上，利用數值孔徑僅為0.1的物鏡即可實現175 nm的成像分辨率。為了進一步展示該方法的時間分辨率優勢，研究團隊同時實現了50 ns的時間分辨率和10 nm的單離子定位精度，并利用該方法清晰地拍攝了囚禁離子在離子阱中的快速簡諧震蕩。理論上，通過增加成像物鏡的數值孔徑和耗盡光（面包圈光斑）的中心消光比，可進一步將空間分辨率提高至10 nm以下。

圖1單離子超分辨成像。（a）單離子熒光成像，（b）利用離子作為探針測量的耗盡光模式，（c）單離子超分辨成像結果，(d-e)成像分辨率與耗盡光強和耗盡時間的關系，（f）單離子熒光成像（FM）與超分辨成像（GSD）分辨率對比。

圖2超分辨成像方法應用于離子動力學測量。（a）采用電信號激勵離子y方向簡諧運動，（b）成像時許，（c）對運動離子不同時刻的成像，擬合像斑中心（藍色十字）可以清晰觀測y方向的簡諧振動。（d）不同激勵電壓的離子運動軌跡。

本項實驗技術可擴展到冷原子系統的多體和關聯測量，并且對其他冷原子系統也具有很好的兼容性，可應用于光晶格、中性原子光鑷以及冷原子-離子混合系統等。審稿人高度評價該工作：“清晰地展現了邁向單原子量子運動態的直接動力學測量的重要一步，并在多體糾纏系統具有應用前景”；“本工作的提出和實現，填補了此前缺失的精密測量原子位置的重要工具，有潛力對高頻運動的單個運動量子實現空間分辨”。

論文的共同第一作者是中科院量子信息重點實驗室的錢忠華博士和崔金明副研究員。該研究得到了科技部，國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創新研究院、科研部）