显微镜首次拍到光腔内的原子波纹，原子排列有“画面感”了！

如果把一团超冷原子放置在光学腔中，再注入一束激光，会发生什么？

直观感受上，我们可能会觉得原子被光“推动”，但在腔量子电动力学系统中，事情可不是简单的“推一推”。

在腔内，一个原子散射出的光子，可以被另一个原子“感受”，原子之间通过腔内光场彼此关联。如果此时注入一束激光，原本均匀分布在腔内环境中的原子云，会在激光的驱动下，形成周期性的有序结构，就像是“自己排队”，出现一圈圈、一条条起伏的“波纹”。

很多学者都曾经分析过这一类物理图像。光击中原子所引起的力虽然很微弱，但能够帮助科学家悬浮粒子、制造宇宙中最冷的原子气体、操作太阳帆以及观测引力波。而结合光学腔，研究人员可以通过测量漏出的光子数，在原子飞行展开后看布拉格峰，判断系统有没有进入超辐射相变、有没有形成有序相。

但是，这些研究都属于“整体结果分析”，只能解答系统的状态改变问题，不能回答腔内原子在空间中如何一步步演变的问题，也就是说，真正局域的原子空间结构，始终被隐藏。

关于这个问题，近期，来自瑞士洛桑联邦理工学院的Jean-Philippe Brantu团队给出了一个非常有画面感的答案：他们在高精细光学腔中研究幺正极限费米气体，并搭建出一套能够进行高分辨原位吸收成像的显微系统，首次成像了超冷原子气体中这种光诱导密度波，检验了光诱导空间秩序的基础，揭示了物质中展示集体相互作用的微观细节。

（图片来源：https://physics.aps.org/articles/v19/47）

从更宏观的角度看，这个过程和人们熟悉的超辐射相变是绑在一起的。当原子开始更有组织地、相干地向腔里散射光时，腔内光场会迅速增强；紧接着，增强的光场又进一步加深原子所处的周期势阱。也正因如此，密度波有序和腔内光子信号常常是同步出现的。

实验的设计也基于此。研究人员将一团超冷的锂原子费米气体放入腔内，再用一束侧向泵浦光去照射原子云。随着泵浦强度的升高，原子必然会更加强烈地散射光子。当系统跨越某个临界值后，原子与光场之间形成正反馈，推动更多原子往某些位置聚集。最终，原子不再均匀分布。

接下来，为了直接成像密度波，Jean-Philippe Brantu团队构建了一台空间分辨率为1.7 μm的显微镜，随后利用吸收成像技术，观察原子在通过显微镜照射的光束上行程的阴影，来在原子快照中观察密度波纹。

（图片来源：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/h3zm-rnnx）

通过这样的方法，研究人员可以证实这些波纹的周期性与泵腔晶格大尺度结构相符。也就是说，原子排列出的“条纹”不是人为摆出来的，而是系统在长程相互作用下自己选择出来的有序态。

实验中，当泵浦功率低于临界值时，原子云图像看上去仍然是平滑的、接近高斯分布的；而当泵浦功率超过阈值后，图像中心就会清楚地出现周期性的明暗起伏，也就是密度波留下的影像。

这些图像不止是可以“看”，还可以“算”。

研究人员对吸收图像做傅里叶分析后，能够提取密度波的空间频率、幅度以及相关长度，并重建系统跨越相变时的相图。结果显示，图像中提取出的密度波起始边界，与通过腔光子信号得到的超辐射阈值吻合得很好。过去研究人员依赖于整体的光学输出信号建立起来的物理图像，现在可以通过显微图像加以支持。

（图片来源：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/h3zm-rnnx）

除了“第一次拍到密度波”，该团队还把单次显微图像与腔内光场的实时读出对应了起来。过去，人们长期采用一种近似：认为在远失谐条件下腔场会几乎瞬时地跟随原子的运动而调整。而这次，研究人员借助同步获取的原子图样和腔场信号，第一次直接验证了这种对应关系。对研究长程相互作用量子系统的学者来说，这一点尤其值得关注。

团队构建的显微系统分辨率达到1.7 μm，已经足以分辨出密度波较长波长的空间调制成分，且该显微镜还能解析更复杂的、此前无法观察的空间结构。该技术可以推广到自旋磁化图案的相差显微镜，还可以用来探讨竞争的相位模式对空间顺序的影响。

一旦我们能在显微尺度上直接观察这些光驱动的有序结构，未来无论是研究更复杂的相变、设计特定空间相互作用，还是探索新的量子物态，都会多出一双真正看见细节的“眼睛”。

论文链接：

Microscopy of Cavity-Induced Density-Wave Ordering in Ultracold Gases | Phys. Rev. Lett.

新闻来源：

Physics - Watching Atoms Make Waves

科学编辑 | 邹榆红

编辑 | 徐睿