很多朋友都用過顯微鏡，通過顯微鏡觀察一些微小的物體可謂是幫人類打開了新世界的大門。那么有沒有可能用類似的手段觀察到更小的物體——比如單個原子呢？

我們學習中學物理時，老師告訴我們用普通的光學顯微鏡來觀察一個原子是不可能的，因為原子的尺度比可見光的波長要小。

新西蘭奧塔哥大學的副教授、原子物理系的主管米克·安德生博士（Mikkel Andersen）的老師也是這么教的，但安德生沒有接受這個說法，甚至用他童年的好奇心去克服困難，創造了一種捕獲、孤立和拍攝一個原子的技術。 我最近得以和他一起探討這個研究，不過在我們深入之前，先來了解一下：為什么用光來觀測單個原子這件事如此困難？

01為什么說不可能呢？

我們耳熟能詳的首要原因就是，光的波長要遠大于單個原子的大小。普通光學顯微鏡依賴樣品的反射光波來工作，它的鏡片可以通過折射來收集光線，就和我們用眼睛觀察東西是一樣的。

光學顯微鏡

就像射擊一樣，較長波長的光波很難擊中小小的原子并與之發生相互作用。 還有另一個問題，“抓住”一個原子很難，不光是因為它們太小了，還因為它們運動得很快，原子以接近聲速的速度飛來飛去，連一群都捕獲不到，更何況是單個的原子呢。 你以為就只有這些問題嗎？原子們還喜歡一起“玩”，所以抓到它們其中的一個，并且把其他同伴分開非常困難。 那么有沒有什么辦法能夠實現這一點呢？

02用激光讓原子“冷靜”下來

首先我們需要讓跑太快的原子慢下來。安德生選擇的是利用一種捕獲微小樣品的激光冷卻技術，這個技術就像一把光做的鑷子，可以減緩單個原子得運動速度并夾住它。

利用6束不同方向的激光束縛原子

光波不會加速，但是光有動量，動量是可以在電磁場和物體之間發生交換的。這樣我們就可以理解為光提供了一個“光學力”。 光線“砸在”所有它照射的物體上，當然也包括你我，但我們日常看到的物體都太大了，以至于這個作用微乎其微，可以忽略。 可是到了納米級別的微小尺度上，這個影響就顯現出來了，因為原子太小了，所以光的作用就變得很重要。我們舉個例子——彗星和尾巴。彗星的彗尾就是太陽光與彗星上微觀物質相互作用產生的。

“激光冷卻”就是利用這個作用的過程，可以將物質的溫度降至絕對零度以上百萬分之一度。將一束能量很高的激光迎面打到運動的原子上，激光的光波便可以使原子的運動速度減慢到可以觀測的程度。（注：一般所說的“冷卻原子”就是減緩原子速度的意思。） 當然這里的激光也不是隨便的激光，它的頻率必須和目標原子的震動頻率相同，有了這點要求，激光和原子的選取就都需要考慮，為了將成本降低，安德生選擇了銣原子，因為它的頻率與影碟機里用來讀取CD的激光是相一致的，這種激光成本很低。

銣原子模型

03從多到一

現在我們來講講單個原子的問題，不過安德生是從50個原子開始的，激光冷卻下來這一堆原子后，他們就需要從中“敲出”一個來。他們利用了另外一束“準共振”光波，所謂的準共振光，就是接近原子頻率但不完全相等的光波，可以讓原子群內部的原子互相碰撞，這個過程需要不斷重復，產生足夠的能量，直到撞出單個的原子。

分子被光束打散

有一些研究團隊也做過相似的實驗，但成功率只有大約一半；安德生說，光和原子聚集體碰撞時產生的能量對于實驗的完成率有很大影響。 原子聚集體更可能一對對地彈出原子，如果沒有控制原子團的初始數目的話，那他們就有一半的可能利用奇數個原子開始實驗，原子一對對分離后可以剩余一個單原子，這也是為什么他們有50%的成功幾率。要通過控制原子團內部碰撞釋放的能量來解決這個問題，而這個能量需要能使一個原子分離而又不能讓它們成對。

04納米科學的深空技術

終于，我們在一個大概合適的位置有了一個合適的原子，為了能看到它，我們首先需要一個鏡片，一種用于太空望遠鏡的可以看深空的鏡片。

在捕獲這個原子至鏡片焦點位置時，我們可以發射一束準共振光使粒子發射出熒光，熒光成像就是這么個過程。這時候深空望遠鏡鏡片就派上了用場——它們專門用來在無邊的黑暗中探測一點點光子。 此時你就只需要按下快門鍵了。現在我們已經完成了冷卻、捕獲、分離、拍攝一個原子這幾個步驟了。

安德生實驗中單個銣-85原子圖像，來源：奧塔哥大學原子物理實驗室官網

05從一到多

上面那個照片是2010年照的，之后他們開始更進一步，在研究中增加原子，來研究控制化學反應的基本過程。 他們利用光鑷子來使兩個單獨的原子結合在一起，然后再測量這個過程釋放的能量。最近他們甚至把原子的數量提高到了三個。

在討論近期科研內容時，安德生還告訴我他們在嘗試人工糾纏原子。高度量子糾纏的條件下，兩個糾纏的粒子即使在相距很遠的情況下也都可以決定對方的狀態。相比于單個原子，只需要給冷卻激光加上更多的控制條件，就可能操作兩個原子，使其互相糾纏。 這些東西聽起來是不是還挺帶感的？但能用來干什么呢？

06原子精度的未來

首先，這個方向的研究可能可以用于量子計算機，雖然這并非是研究人員的本意，但看起來控制單個原子這樣的技術確實對于在量子計算機中實現量子比特有幫助。 單原子控制技術同時也給我們實現晶體管的物理極限提供了路徑，這樣的話晶體管的尺寸就可以降到雙原子量級了。

單原子晶體管模型

我們實現了“掌握一個原子”的技術，便可以深入了解原子是怎么和孤立環境反應的，又是怎么相互結合的，或者還可以創造出一些本來不能通過自組裝合成的分子。 雖然我們已經看到了研究的“成品”，但是我們距離商業化量子比特或是制造原子精度的產品還是有一些時間，安德生給我解釋了這樣的研究無法變現的原因。

他解釋說，這個工作其實對于需要全面控制的原子系統來說很基礎，只是目前這個系統非常脆弱，而且用銣原子來研究已經節省了很多成本（利用了市場中較成熟的激光技術），如果要更換其它原子，那就需要更換不同頻率的激光、準共振光，這些也會消耗許多成本，引入更多原子的同時也會使過程更復雜。在合成新的分子時，大多數原子結合的形式也不是化學穩定的，讓原子們避開環境中的原子、和特定原子結合也需要很多能量。

安德生和他的團隊在查看他們用來控制原子的設備

當然這個技術本身是否合適應用也是個問題——新方法應用的前提，要么是能制造出傳統方式不能生產的產品，要么是在成本和效率方面都比其他方法優異。

07寫在最后

這些困難看起來好像都挺棘手的，但安德生認為他們的研究對于后續需要解決的相關問題提供了重要的工具和經驗。 對于后生們來說，有人在研究你正在想的可能有點瘋狂的想法一定很振奮吧，這些就存在于我們生活中、組成了我們的原子，有人正嘗試著去用它們形成差不多大小的新東西。 或許下次老師說什么你有些懷疑的東西的時候，你也可以做一個顛覆的人——只要再想深入一些。

原文鏈接：https://williamslater2003.medium.com/holding-a-single-atom-da18a674f559

編輯：jq