Размер ионного волнового пакета измерили с помощью оптического микроскопа

Физики использовали микроскопию на основе истощенного основного состояния, чтобы измерить характерный размер волновой функции иона, пойманного в ловушку. Для этого они анализировали осцилляции, которые появляются в пространственном распределении флуоресценции и содержат информацию о состоянии иона. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Принцип работы обычного оптического микроскопа основан на способности линз создавать увеличенное изображение изучаемых предметов, которые облучаются светом. Рост оптического увеличения микроскопов, однако, ограничен невозможностью фокусировки световых волн в пятно, существенно меньшего, чем длина волны света. Для преодоления этого предела учеными было предложено множество расширений оптической микроскопии, одним из которых стала микроскопия на основе подавления спонтанного излучения (STED-микроскопия).

В основе STED-микроскопии лежит идея о подавлении переизлучения с поверхности освещаемого образца всюду, кроме небольшой области с известной координатой. Это достигается путем облучения образца дополнительным лазерным лучом, чей поперечный профиль имеет форму кольца. Такой луч обедняет населенность тех атомов или молекул, на которые приходит кольцевое излучение, не давая им излучать. В результате в микроскоп поступает флуоресценция лишь от небольшой субволновой области, определяемой центром кольцевого луча. Знание о положении этого центра позволяет провести статистическую обработку изображения, собираемого объективом микроскопа, и довести его разрешение до десятков и даже единиц нанометров.

Несмотря на существенное увеличение разрешающей способности STED-микроскопов, с их помощью все еще невозможно увидеть отдельные атомы и волновые функции их электронов. Однако, когда атомы захвачены в ловушки и сильно замедлены охлаждением, их движение квантуется и локализуется. В этом случае волновые функции самих атомов могут простираться на масштабах нескольких десятков нанометров и потому быть видимыми в STED-микроскоп.

Мартин Дрекслер (Martín Drechsler) из Университета Майнца с коллегами из Аргентины и Германии попытались применить этот принцип, чтобы измерить размер волновой функции иона 40Ca+ пойманного в ловушку. Они использовали модифицированную версию STED-техники, в которой обедняется не само возбужденное состояние, ответственное за флуоресценцию, а основное состояние, с которого ионы переводятся на возбужденное, а оттуда уже излучают. В частности, истощающий кольцевой луч с длиной 729 нанометров переводил электронную конфигурацию иона из основного состояния 4S1/2 в метастабильное возбужденное состояние 3D1/2, в то время как не обедненные ионы переводились на короткоживущий уровень 4P1/2 лазером с длиной волны 397 нанометров. Объектив собирал их переизлучение и направлял на ПЗС-матрицу.

Поскольку процесс истощения когерентный, населенность метастабильного уровня осциллирует с частотой Раби, зависящей от интенсивности кольцевого луча. Интенсивность в таком луче, в свою очередь, растет с ростом расстояния от его центра, а значит и вероятность изучения иона будет также осциллятивно зависеть от расстояния, что проявит себя в виде концентрических колец на изображении. Сами по себе осцилляции Раби не несут информации о вероятности встретить ион в пространстве, однако его волновая функция определяет искажения этих колец. Сравнивая, таким образом, теорию и эксперимент, можно вычислить характерный размер пространственного распределения иона в ловушке.

Изображения, полученные при различных мощностях импульса и способах охлаждения. (i) и (m) – теоретический профиль, полученный для точечной частицы, (j) и (k) – он же, но с учетом конечного размера волнового пакета иона.

Для реализации этой идеи физики помещали ион в ловушку Пауля, и охлаждали его с помощью метода Допплера и метода боковой полосы. Разные способы охлаждения переводили ион в различные термализованные состояния (то есть состояния равновесной суперпозиции с различными колебательными квантовыми числами), что сказывалось на форме осцилляций и их деталях. Для каждого пикселя изображения ученые повторяли весь экспериментальный цикл, включающий в себя охлаждение, накачку и измерение сигнала, десять раз. В результате подгонки рассчитанных профилей под экспериментальные, авторы получили, что размер волнового пакета иона, охлажденного допплеровски и с помощью боковой полосы, составил 60±5 и 39±9 нанометров, соответственно. Второе значение оказалось в согласии с величиной 32±2 нанометра, полученной в качестве дополнительной информации в методе боковой полосы.

Физики описали несколько причин, физически ограничивающих разрешающую способность предложенного метода, в частности неидеальность истощающего пучка, содержащего продольную компоненту поляризации в середине, а также паразитные нерезонансные возбуждения. В будущем они также планируют исследовать неклассические (неравновесные) состояния иона, описываемые всего одним квантовым числом.

Ученые борются с дифракционным пределом всеми доступными способами. Кроме флуоресценции в их арсенал входят нанолазеры, метаматериалы, ближнепольная оптическая микроскопия и даже пространственные корреляции оптических мод в дальнем поле.

Марат Хамадеев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 06.10.2021 в 22:46

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии