研究人員展示了一種基於離子光學的顯微鏡，可以分辨單個帶電原子。原子被限制在一維光學晶格中（影象的底部），然後用光脈衝照射，該脈衝使原子電離（綠球）。短暫的延遲後，電離的原子被轉移到離子光學系統中，在此用靜電透鏡（紅色矩形）對其進行操作，並用離子檢測器成像（影象頂部）。箭頭指示離子透過顯微鏡的傳播方向。圖片來源：APS / Alan Stonebraker

斯圖加特大學的一組研究人員開發了一種基於離子光學的量子顯微鏡，該顯微鏡能夠建立單個原子的影象。在發表在《Physical Review Letters》雜誌上的論文中，研究小組解釋了他們如何構建顯微鏡以及在測試時顯微鏡的工作情況。

多年來，科學家們一直在推動顯微鏡技術的發展，以至於現在的量子氣體顯微鏡可以看到0.5μm大小的物體。它足夠小，可以觀察原子群。在這項新的努力中，研究人員創造了一種可以為單個原子成像的顯微鏡，從而將研究範圍進一步擴大。

該小組建造的顯微鏡首先使用了靜電透鏡，這是一種可以用來輸送電子等帶電粒子的裝置。研究人員將其中的三種離子放在一起，並添加了一個離子探測器，能夠識別出單個離子。靜電鏡頭的工作原理與標準手持相機或智慧手機中的鏡頭非常相似。但是，與用曲面聚焦光線不同，靜電透鏡在電場中引導離子的路徑。靜電透鏡與傳統透鏡的不同之處在於它們是可調節的——研究人員只需要改變施加在電場上的電壓。

研究人員還增加了一種限制材料成像的方法——為了測試，他們加入了超冷的銣原子，並把它們放在晶格中，讓人想起量子氣體顯微鏡。為了成像，研究人員向原子發射鐳射脈衝，導致光電離。這迫使離子在原地停留了大約30納秒。在晶格中，原子之間相互作用，導致多體關聯的積累。然後這些離子被釋放到顯微鏡中，在那裡成像。

對這臺顯微鏡的測試表明，它能夠捕捉到6.79到0.52μm之間的特徵，它們之間的間距為532 nm——足以生成單個原子的影象。人們還發現它有70μm的深場，大到足以產生3-D影象。