物理學家首度捕捉「自由原子」 驗證百年量子理論

科學家首度運用創新技術，成功觀測到單個原子在自由空間中的互動行為。這項突破性發現，證實了逾百年前提出的量子力學基礎理論，為物理學界揭開嶄新篇章。

由於原子的量子特性，單個原子觀測向來是科學界的重大挑戰。正如量子力學的「測不準原理」所示，研究人員無法同時精確掌握原子的位置與速度。過往雖能透過雷射技術拍攝原子雲影像，但就像「只能看見天空中的雲朵，卻看不清構成雲的水分子」，麻省理工學院物理學家茲維爾萊恩如此比喻。

這項發表於《物理評論快報》的新技術更進一步，讓科學家首度捕捉到「自由原子」的清晰影像。研究團隊先將鈉原子雲困在超低溫環境中，再以雷射光柵暫時固定原子位置，最後透過螢光雷射標記出單個原子的確切位置。

觀測結果顯示，這些屬於玻色子的原子確實展現出「德布羅意波」的量子特性。該理論由法國物理學家德布羅意於1924年提出，描述粒子會像波一樣產生干涉現象。研究團隊同時拍攝到鋰費米子的影像，這類粒子會相互排斥而非聚集，呈現與玻色子截然不同的量子行為。

茲維爾萊恩興奮表示：「我們不僅看見原子雲中的單個原子，更能觀察它們的互動關係，這簡直美極了！」研究團隊計劃將這項「原子解析顯微術」應用於其他量子現象研究，例如在強磁場作用下產生的「量子霍爾效應」。