Fysiker har visat ett nytt sätt att få fram de väsentliga detaljerna som beskriver ett isolerat kvantsystem, såsom en gas av atomer, genom direkt observation. Den nya metoden ger information om sannolikheten att hitta atomer på specifika platser i systemet med oöverträffad rumslig upplösning. Med denna teknik, forskare kan få detaljer på en skala av tiotals nanometer - mindre än bredden på ett virus.

Experiment utförda vid Joint Quantum Institute (JQI), ett forskningspartnerskap mellan National Institute of Standards and Technology (NIST) och University of Maryland, använd ett optiskt gitter – en väv av laserljus som suspenderar tusentals individuella atomer – för att bestämma sannolikheten för att en atom kan vara på vilken plats som helst. Eftersom varje enskild atom i gittret beter sig som alla andra, en mätning på hela gruppen av atomer avslöjar sannolikheten för att en enskild atom befinner sig i en viss punkt i rymden.

Publicerad i tidskriften Fysisk granskning X , JQI-tekniken (och en liknande teknik publicerad samtidigt av en grupp vid University of Chicago) kan ge sannolikheten för atomernas placering långt under våglängden för det ljus som används för att belysa atomerna - 50 gånger bättre än gränsen för vad optisk mikroskopi kan normalt lösa.

"Det är en demonstration av vår förmåga att observera kvantmekanik, " sa JQI:s Trey Porto, en av fysikerna bakom forskningssatsningen. "Det har inte gjorts med atomer med någonstans i närheten av denna precision."

För att förstå ett kvantsystem, fysiker pratar ofta om dess "vågfunktion". Det är inte bara en viktig detalj; det är hela historien. Den innehåller all information du behöver för att beskriva systemet.

"Det är beskrivningen av systemet, " sa JQI fysiker Steve Rolston, en annan av tidningens författare. "Om du har vågfunktionsinformationen, du kan beräkna allt annat om det – som objektets magnetism, dess ledningsförmåga och dess sannolikhet att avge eller absorbera ljus."

Medan vågfunktionen är ett matematiskt uttryck och inte ett fysiskt objekt, teamets metod kan avslöja beteendet som vågfunktionen beskriver:sannolikheterna för att ett kvantsystem kommer att bete sig på ett sätt kontra ett annat. I en värld av kvantmekanik, sannolikhet är allt.

Bland de många konstiga principerna inom kvantmekaniken är tanken att innan vi mäter deras positioner, objekt kanske inte har en identifierbar plats. Elektronerna som omger kärnan i en atom, till exempel, färdas inte i vanliga planetliknande banor, tvärtemot bilden som vissa av oss fick lära i skolan. Istället, de fungerar som porlande vågor, så att en elektron i sig inte kan sägas ha en bestämd plats. Snarare, elektronerna finns i suddiga områden i rymden.

Alla objekt kan ha detta vågliknande beteende, men för allt som är stort nog för blotta ögonen att se, effekten är omärklig och den klassiska fysikens regler är i kraft – vi märker inte byggnader, hinkar eller ströbröd som breder ut sig som vågor. Men isolera ett litet föremål som en atom, och situationen är annorlunda eftersom atomen existerar i en storlekssfär där effekterna av kvantmekaniken råder. Det går inte att med säkerhet säga var den finns, bara att den kommer att hittas någonstans. Vågfunktionen ger uppsättningen av sannolikheter för att atomen kommer att hittas på någon given plats.

Kvantmekaniken är tillräckligt väl förstådd – av fysiker, hur som helst – det för ett tillräckligt enkelt system, experter kan beräkna vågfunktionen från första principer utan att behöva observera den. Många intressanta system är komplicerade, fastän.

"Det finns kvantsystem som inte kan beräknas eftersom de är för svåra, " Sa Rolston - som molekyler gjorda av flera stora atomer. "Det här tillvägagångssättet kan hjälpa oss att förstå dessa situationer."

Eftersom vågfunktionen endast beskriver en uppsättning sannolikheter, hur kan fysiker få en fullständig bild av dess effekter på kort sikt? Teamets tillvägagångssätt går ut på att mäta ett stort antal identiska kvantsystem samtidigt och kombinera resultaten till en helhetsbild. Det är ungefär som att rulla 100, 000 par tärningar samtidigt – varje kast ger ett enda resultat, och bidrar med en enda punkt på sannolikhetskurvan som visar värdena på alla tärningarna.

Vad teamet observerade var positionerna för de ungefär 100, 000 atomer ytterbium suspenderar det optiska gittret i sina lasrar. Ytterbiumatomerna är isolerade från sina grannar och begränsade till att röra sig fram och tillbaka längs ett endimensionellt linjesegment. För att få en högupplöst bild, teamet hittade ett sätt att observera smala delar av dessa linjesegment, och hur ofta varje atom dök upp i sin respektive skiva. Efter att ha observerat en region, laget mätte en annan, tills den hade hela bilden.

Rolston sa att även om han ännu inte har tänkt på en "killer app" som skulle dra fördel av tekniken, bara det faktum att teamet direkt har avbildat något centralt för kvantforskningen fascinerar honom.

"Det är inte helt självklart var det kommer att användas, men det är en ny teknik som ger nya möjligheter, " sa han. "Vi har använt ett optiskt gitter för att fånga atomer i flera år, och nu har det blivit en ny typ av mätverktyg."