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一部分实验装置

由Francesca Ferlaino领导的研究小组首次用光学镊子捕获了单个铒原子，为原子物理学树立了新的里程碑。铒的复杂电子结构开辟了新的自由度和可能性，这一进展为量子科学的一系列创新实验打开了大门。这项研究发表在《物理评论快报》上。

这项成果为研究具有多个价电子的元素提供了一种开创性的方法——这一领域以前主要由具有一个或两个价电子的简单原子主导。拥有 14 个价电子的铒引入了新的自由度，为量子实验带来了令人兴奋的机会，使人们能够探索以前未知的原子行为。

实验的联合导师Manfred Mark解释说：“这些原子的复杂性使我们能够探索粒子间更细微的相互作用，为开发新实验提供了一个具有惊人潜力的量子乐园。”

复杂的原子控制和新型成像技术

除了捕获铒原子，研究团队还开发了利用铒的不同内部状态的成像方法。通过诱导不同波长的荧光，他们实现了两种独特的成像技术：一种是用于超快、种群分辨成像的蓝色光谱--这在镊子物理学中是一种新技术;另一种是用于几乎无损观察的黄色光谱。

这样，研究人员就可以在不干扰原子量子态的情况下密切监测原子的行为，而且速度也足够慢，可以对系统进行连续探测。这些新的成像方法为这些量子系统的研究带来了前所未有的多功能性，该研究的第一作者之一Daniel Schneider Grün说。“我们现在可以用以前不可能的方式观察这些复杂的原子。”

用复杂原子挑战量子极限

虽然铒原子已经在光学晶格中进行过研究，但这项研究引入了一种使用光学镊子的新方法。光镊利用紧密聚焦的激光束，聚焦光的大小相当于人类红血球大小的一小部分。Grün 解释说：“与光学晶格不同，镊子可以更自由地将原子排列成可定制的几何形状，并实现粒子的实时重新配置。”

该研究团队以其在操纵铒和镝等稀土元素方面的专业知识而闻名，曾取得过铒的玻色-爱因斯坦凝聚等突破性成果。近年来，他们与经验丰富的理论家建立了合作网络，对这些复杂原子的特性(包括在此装置中起关键作用的里德伯态)有了最前沿的深入了解。

开启新的量子相互作用

研究人员的下一步工作包括通过里德伯激发诱导铒原子之间的相互作用，这一过程利用了 14 个价电子中的一个，而其他电子则充当量子探针或寄存器。

这种增强的复杂性为量子科学激动人心的新篇章铺平了道路，在量子科学中，具有多电子构型的复杂原子可以被精确地操纵、研究，并以变革性的方式加以利用。Ferlaino 说：“这是真正的未知领域。”