原子显微镜的原理：基于离子光学的量子显微镜可以成像单个原子

研究人员展示了一种基于离子光学的显微镜，可以分辨单个带电原子。原子被限制在一维光学晶格中（图像的底部），然后用光脉冲照射，该脉冲使原子电离（绿球）。短暂的延迟后，电离的原子被转移到离子光学系统中，在此用静电透镜（红色矩形）对其进行操作，并用离子检测器成像（图像顶部）。箭头指示离子通过显微镜的传播方向。图片来源：APS / Alan Stonebraker

斯图加特大学的一组研究人员开发了一种基于离子光学的量子显微镜，该显微镜能够创建单个原子的图像。在发表在《Physical Review Letters》杂志上的论文中，研究小组解释了他们如何构建显微镜以及在测试时显微镜的工作情况。

多年来，科学家们一直在推动显微镜技术的发展，以至于现在的量子气体显微镜可以看到0.5μm大小的物体。它足够小，可以观察原子群。在这项新的努力中，研究人员创造了一种可以为单个原子成像的显微镜，从而将研究范围进一步扩大。

该小组建造的显微镜首先使用了静电透镜，这是一种可以用来输送电子等带电粒子的设备。研究人员将其中的三种离子放在一起，并添加了一个离子探测器，能够识别出单个离子。静电镜头的工作原理与标准手持相机或智能手机中的镜头非常相似。但是，与用曲面聚焦光线不同，静电透镜在电场中引导离子的路径。静电透镜与传统透镜的不同之处在于它们是可调节的——研究人员只需要改变施加在电场上的电压。

研究人员还增加了一种限制材料成像的方法——为了测试，他们加入了超冷的铷原子，并把它们放在晶格中，让人想起量子气体显微镜。为了成像，研究人员向原子发射激光脉冲，导致光电离。这迫使离子在原地停留了大约30纳秒。在晶格中，原子之间相互作用，导致多体关联的积累。然后这些离子被释放到显微镜中，在那里成像。

对这台显微镜的测试表明，它能够捕捉到6.79到0.52μm之间的特征，它们之间的间距为532 nm——足以生成单个原子的图像。人们还发现它有70μm的深场，大到足以产生3-D图像。