MIT科學家首度捕捉「自由原子互動」量子影像 揭開超導體之謎

麻省理工學院（MIT）的研究團隊近期完成一項突破性實驗，首度成功拍攝到「自由空間中原子互動」的量子影像。這項發表於《物理評論快報》的研究，利用特殊光學晶格技術，讓科學家首次直接觀測到玻色子（bosons）與費米子（fermions）的量子行為，驗證了數十年來的理論預測。

研究團隊開發出一項創新技術：先讓原子雲在自然狀態下自由移動與互動，接著啟動由雷射光束組成的光學晶格，瞬間凍結原子位置。透過精密調校的雷射照明，研究人員成功在原子雲消散前，捕捉到單一原子的精確位置。MIT物理學教授馬丁·茲維爾萊因形容：「我們能清楚看見這些原子雲中單個原子的行為，以及它們彼此間的互動關係，這景象美極了。」

實驗中，科學家觀察到兩個關鍵現象：玻色子會聚整合波狀結構，而費米子則會形成配對。這些機制與超導體特性密切相關。茲維爾萊因團隊更首度直接觀測到「費米子配對」現象，這項發現為理解超導體機制提供重要線索。

原子直徑僅約0.1奈米（人類頭髮粗細的百萬分之一），其量子特性使研究格外困難。傳統成像技術只能顯示原子雲的整體輪廓，就像觀察天上的雲朵卻看不到組成它的水分子。MIT團隊開發的「原子解析顯微術」突破此限制，讓科學家能直接觀測自由空間中原子間的量子互動。

研究也驗證了「德布羅意波」理論——玻色子因共享相同量子態而產生群聚效應。茲維爾萊因表示：「我們的新顯微鏡能直接觀察這種波動特性，這在過去幾乎不可能實現。」共同作者理查·弗萊徹則強調：「當你看到這些影像時，就像在見證數學世界中的預測變成真實物理現象。」

這項技術未來將用於研究更複雜的量子現象，如量子霍爾效應。研究團隊獲得美國國家科學基金會、空軍科研辦公室等多個機構支援，相關成果可望為量子計算與材料科學開創新局。