奥塔哥大学物理学家首次将单个原子“固定”在原位，并观察到了以前未见过的复杂原子相互作用。在奥塔哥大学物理系组装了无数的设备，包括激光、镜子、真空室和显微镜，加上大量的时间、精力和专业知识，提供了研究这个量子过程必要条件，到目前为止，人们只能通过涉及大量原子的实验统计平均来了解这个量子过程，这项实验在现有知识的基础上进行了改进，其研究成果发表在《物理评论快报》期刊上。
该实验提供了一种以前从未见过的微观世界视角，结果令研究人员感到惊讶。奥塔哥大学物理系副教授米克尔·F·安德森表示：我们的方法包括在超真空室中使用高度聚焦的激光束，将三个原子单独捕获并冷却到开尔文(Kelvin)的百万分之一温度，慢慢地将包含原子的陷阱结合起来，产生了测量的受控相互作用。当这三个原子相互靠近时，两个原子形成一个分子，它们都会受到这个过程中释放能量的“踢”。
而显微镜相机可以放大和观察这一过程，带头进行这项实验的博士后研究员马文·韦兰(Marvin Weeland)表示：仅有两个原子不能形成一个分子，至少需要三个原子才能形成化学，本研究是第一次孤立地研究这一基本过程，结果证明，出了几个令人惊讶的结果，这是之前在大原子云中进行测量时没有预料到的。例如，研究人员能够看到单个过程的确切结果，并观察到一个新的过程，其中两个原子一起离开实验。
到目前为止，在许多原子的实验中，还不可能观察到这种程度的细节。通过在分子水平上的研究，现在更多地了解了原子是如何相互碰撞和反应的。随着发展，这项技术可以提供一种方法来构建和控制特定化学物质的单分子。
量子物理学以外的人，可能很难理解这项技术和细节水平，但研究人员相信，这门科学的应用，将有助于未来量子技术的发展，这些技术可能会像使现代计算机和互联网得以实现的早期量子技术一样对社会产生影响。
在过去几十年里，对能够在越来越小规模上建造的研究推动了大部分技术发展。例如，这是今天的手机比20世纪80年代“超级”计算机具有更强的计算能力。本研究试图为能够在尽可能小的规模，即原子尺度上建造建筑铺平道路，这些发现将如何影响未来的技术进步，甚是令人期待！
实验结果表明，与其他实验和理论计算相比，形成分子所需的时间比预期要长得多，目前这些实验和理论计算不足以解释这一现象。虽然研究人员提出了可能解释这种差异的机制，但也强调在实验量子力学这一领域进一步理论发展的必要性。
博科园｜研究/来自：奥塔哥大学参考期刊《物理评论快报》DOI: 10.1103/PhysRevLett.124.073401
相关报道：重磅！首次在反物质中，测量到量子效应，或将动摇粒子标准模型！
欧洲核子研究中心（CERN）研究首次对反氢（氢的反物质对应物）能量结构中某些量子效应的测量，这些量子效应已知存在于（正）物质中，研究它们可以揭示物质和反物质行为之间尚未观察到的差异，其研究成果现在发表在《自然》期刊上的一篇论文中，研究结果表明：这些最初的测量结果与对“正”氢的影响理论预测是一致的，并为更精确地测量这些和其他基本量铺平了道路。
欧洲核子研究中心阿尔法实验发言人杰弗里·汉斯特(Jeffrey Hangst)表示：发现正反物质之间的任何不同，都将动摇粒子物理标准模型的基础，而这些新的测量结果探索了反物质相互作用的各个方面（比如兰姆位移），这是物理学家长期以来一直期待解决的问题。下一项任务是使用最先进的激光冷却技术冷却大量反氢（反物质）样品。这些技术将改变反物质研究，并能对物质和反物质进行前所未有的高精度比较。
阿尔法团队通过将欧洲核子研究中心（CERN）反质子减速器提供的反质子与反电子（通常称为“正电子”）结合起来，产生反氢原子。然后将反氢原子限制在超高真空中的磁阱中，从而防止反氢原子与（正）物质接触并湮灭。然后，激光照射到被捕获的原子上，以测量它们的光谱响应。
这项技术有助于测量已知的量子效应，如所谓的精细结构和兰姆位移，这些效应对应于原子在某些能级上的微小分裂，并在这项研究中首次在反氢原子中进行了测量。
该团队之前曾使用这种方法测量反氢的其他量子效应，最新是对莱曼-阿尔法转变的测量。这种精细结构是在一个多世纪前用原子氢测量的，并为引入描述基本带电粒子之间电磁相互作用强度的自然基本常数奠定了基础。
兰姆位移是大约70年前在同一系统中发现的，是量子电动力学（物质和光如何相互作用的理论）发展中的一个关键因素。兰姆位移测量为威利斯·兰姆赢得了1955年的诺贝尔物理学奖，1947年在著名的庇护岛会议上报道了这一测量结果，这是战后美国物理界领袖首次有机会聚集在一起。
理论和技术说明
精细结构和兰姆位移都是原子在某些能级(或谱线)上的小分裂，可以用光谱学来研究。在没有磁场的情况下，氢的第二能级精细结构分裂是所谓的2P3/2和2P1/2能级之间的分离。分裂是由原子的电子速度和其本征(量子)旋转之间的相互作用引起。“经典的”兰姆位移是2S1/2和2P1/2能级之间的分裂，也是在没有磁场的情况下，这是真空中虚光子进出时的量子涨落对电子影响的结果。
在新研究中，阿尔法团队通过诱导和研究在磁场为1特斯拉情况下反氢最低能级与2P3/2和2P1/2能级之间的跃迁，确定了精细结构分裂和兰姆位移。使用之前测量的1S-2S跃迁频率值，并假设某些量子相互作用对反氢是有效的，研究人员从研究结果中推断出精细结构分裂和兰姆位移的值。发现，在精细结构分裂的实验不确定度为2%，兰姆位移的实验不确定度为11%范围内，推断的值与“正”氢中分裂的理论预测一致。
博科园｜研究/来自：欧洲核子研究中心参考期刊《自然》DOI: 10.1038/s41586-020-2006-5
