設想一個圍棋棋盤，在它縱橫線的361個交點位置，我們制作一個個凹坑。然后，在棋盤上撒上外形相同的綠豆。為要記錄哪些凹坑被占，哪些未被占，最好的辦法就是拍一張照片。這里所要報道的新型顯微鏡觀察，所涉及的是大約1000個超冷費米原子。多束激光對射，因干涉形成光學晶格，每個格點相當于一個原子勢阱，類似于上述棋盤上交叉點位置的凹坑。

　　最近，用于對超冷鉀-40原子拍照的顯微成像裝置，已經由美國麻省理工學院的一個物理學家小組開發成功。研究小組利用激光束，捕獲鉀原子云于光學晶格，然后在冷卻原子的同時，完成原子位置的成像 。新技術使研究人員能夠清楚地分辨單個費米原子，直接觀察它們之間的磁相互作用，甚至探測系綜內的糾纏。

　　費米子特指一類粒子，它們具有半整數的自旋。 進而，受到泡利不相容原理的限制，沒有兩個全同的費米子可以同時占據單一量子態。費米子包含許多種基本粒子——夸克，電子，質子和中子等 。另外，它也可以是費米原子，即電子，質子和中子的總數為奇數的原子。結果，費米子的集體行為對周期表中的元素結構，以及高溫超導體，超巨磁電阻材料，核物質特性等等，負有責任。盡管它們的重要性，迄今我們仍然沒有一個強相互作用費米粒子系統的完整圖像 ，其原因在于它們很難被成像并加以研究。

　　研究人員已經研究了超冷玻色原子，即電子，質子和中子的總數為偶數的原子。玻色原子具有整數總自旋，它們可以同時占據單一量子態。具體說，冷卻玻色原子云到接近絕對零度的超低溫，形成所謂玻色-愛因斯坦凝聚 ，然后可以研究玻色原子之間的相互作用。

　　但是，對費米原子子做同樣的事是不容易的，不相容原理不允許兩費米原子處于完全相同的量子態 。因此，隨著越來越多的費米子被添加到一個系統，每一個都被迫登上越來越高的能量臺階，這使系統冷卻很棘手。此外，超冷原子很容易受到單個光子的干擾，因此難以長時間地限定費米原子的位置，難以獲得清晰的圖像 。

　　拉曼躍遷冷卻

　　為了繞過上述問題，Lawrence Cheuk, Martin Zwierlein和麻省理工學院的同事們，已經開發出一種顯微鏡技術 ，為超冷費米原子成像。他們使用一組激光，同時完成冷卻原子和原子成像兩項任務。使用標準的方法(包括激光冷卻，磁捕獲和原子氣的蒸發冷卻)，所有費米原子被冷卻到十分接近絕對零度。在這一時間點，原子被裝入光學晶格勢阱，于是阻止了相鄰費米原子之間的任何接觸，以及相互作用 。

　　光學晶格由縱橫交錯的激光束干涉構成，距離顯微鏡的成像透鏡僅僅7μm。費米原子困在光學晶格的阱中，就像“綠豆”撒在帶凹坑的“棋盤”上。

　　處于光學晶格中的一個個超冷鉀-40原子

　　接下來，通過使用雙激光束(每一束具有不同的波長)，這些原子被進一步冷卻。這種方法利用了拉曼躍遷：特定原子吸收一個光子，然后立即受激發射出另一個頻率稍高的光子 。在這個過程中，由于吸收光子與發射光子頻率不同，原子的能態下跌一個振動能級。在顯微成像過程中，每一個原子的位置的確定，要看相應受激發射的光子來自哪一個格點。某格點有受激發射，則意味著該格點原子的冷卻。這些受激發射光子由顯微鏡鏡頭接收，結果研究組得以探測費米原子在光學晶格中的確切位置，其精度優于光波波長。

　　使用這種方法，Zwierlein和他的同事們得以冷卻95%以上裝入的鉀-40氣體云原子，進而成像 。團隊驚訝地發現，即使在成像完成之后，費米原子仍然很冷。Zwierlein表示：這意味著，我知道一個個鉀-40原子在哪里，或許可能使用“朱棣文光學小鑷子”移動它們到任何位置，并安排它們形成任何我喜歡的花樣。

　　為了確保他們的實驗沒有遭受任何光輔助損失，研究人員觀察原子在接續的圖像之間位置如何變化，觀察原子分布于晶格的統計學。該研究小組發現，成像過程沒有損失明顯數量的原子。

　　應用前景——冷原子工具箱

　　Chad Orzel，美國大學聯盟的物理學家，他沒有參與該項工作。他認為，研究成果令人印象深刻，因為它開辟了利用費米原子構建起一系列凝聚態物質模擬物的可能性 。他說，如果你觀察光晶格中玻色子的行為，這便是超導體的類似物;在超導體中電子配對之后，行為就像玻色子;但晶格中的費米原子系統，更像是一個正常導體，其中電子受到泡利不相容原理的限制，你可以看到其他的有趣的行為;你可以同時考慮使用光場，以一種有趣的方式操控原子之間的相互作用，監視粒子如何走動。

　　Chad Orzel告訴physicsworld.com: Zwierlein的工作是對冷原子實驗工具箱的一個很好的補充;因為原子暴露于透鏡直接成像，你擁有各種改變參數的自由，無需做整個新的樣品。