研究人員發現了單原子3D高靈敏度感測測量技術

通過與澳大利亞聯邦科學與工業研究組織（CSIRO）合作，格里菲斯大學的研究人員們已經發布了一種精確的科學測量技術，該技術使用單個原子作為感測器，靈敏度低至100*10-21牛。該研究結果發表在Science Advances雜誌上（「A single-atom 3D sub-attonewtonforce sensor」）。

科學家們使用高度小型化的分段式菲涅耳透鏡 – 菲涅爾透鏡採用與超過一個世紀之前的燈塔相同的設計-這使得單個原子的圖像質量非常高，科學家們能夠在三維上以納米精度檢測位置偏移。

實驗配置圖。外部施加的力（紫色箭頭）將捕獲的174Yb +離子移位。由相位菲涅耳透鏡形成的圖像在二維上移位。沿著焦軸的位移改變了圖像中光斑的大小。為了清楚起見，圖示的陷阱尺寸未按比例繪製。射頻（RF）電極針之間的間隔為300μm，菲涅爾透鏡鏡頭焦距3mm。

「我們的原子失去一個電子成為帶負電的離子，所以它對電場非常敏感。通過測量位移，我們構建了一個用於測量電場力的非常靈敏的工具。」量子動力學中心的Erik Streed博士解釋說。

「100*10-21牛是一個非常小的力度，這與一個位於布里斯班的人和一個位於堪培拉的人之間的引力大致相等，這麼小級別的力度可以用來研究表面上發生的事情，這將有助於小型化離子阱型量子計算機，或其他量子設備」。

自2011年以來，格里菲斯的研究人員們一直率先在量子物理學中應用此類透鏡，但這是它們首次被用於高精度地實現所謂影響一個特定原子的力的測量。

通過有意地將其光學元件略微移出焦點，研究人員們能夠測量所有三個維度的位移，第三個方向由原子是否移回焦點或進一步失焦確定。

隨著在諸如磁性、原子、量子和表面現象等基礎物理學研究中的應用，Streed博士還在格里菲斯的糖體學研究所部門開展了工作，以研究這些量子技術的醫學和生物學應用。

「通過在糖組學研究所的研究，我也有興趣將其發展成一種測量單個孤立生物分子之外的電場的工具，如偶極矩，作為一種幫助了解其行為的新方法，」他說到。

該技術的高精度正是由於使用單個原子作為「探針」來獲得這些測量結果。以前與此類似的技術是使用許多原子作為電場力感測器，並且僅限於一個維度。

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