圖1：使用Kinetix22 sCMOS拍攝的銫超冷原子在光晶格中的熒光圖像

背景

亞歷山大·因佩爾特羅和朱利安·維南德是慕尼黑大學(xué)莫妮卡·艾德爾斯堡格教授和伊曼紐爾·布洛赫教授研究組的博士研究生，從事超冷原子模擬量子實驗。

他們介紹了其工作的核心概念："通過將極冷原子囚禁在由激光干涉產(chǎn)生的光晶格中，可以模擬真實固體中電子的行為。原子在此扮演電子角色，而激光產(chǎn)生的勢能景觀則模擬離子晶格。這種模擬的優(yōu)勢在于，原子可被精準(zhǔn)操控——模擬器的典型長度尺度比真實固體大數(shù)千倍。"

"該量子模擬器具有高度可調(diào)性。通過改變晶格深度、外加磁場強(qiáng)度，可調(diào)整晶格維度、原子隧穿強(qiáng)度或相互作用大小，從而模擬特定系統(tǒng)和現(xiàn)象。"

量子光學(xué)組需要一套成像系統(tǒng)來檢測晶格中原子占據(jù)的位點。為此，可先增強(qiáng)晶格強(qiáng)度"凍結(jié)"原子，再使用近共振激光激發(fā)原子。被激發(fā)的原子會發(fā)出熒光，通過相機(jī)檢測這些散射光子即可實現(xiàn)成像。

挑戰(zhàn)

因佩爾特羅和維南德先生描述了實驗面臨的困難："用激光激發(fā)原子會導(dǎo)致其升溫并移動，因此原子僅能維持約100毫秒至1秒的熒光，之后就會隧穿到晶格其他位點。在此期間，我們需要獲取顯示單原子占據(jù)位點的圖像。為獲得高信噪比，相機(jī)需兼具高量子效率、低電子噪聲和高幀率。"

"信噪比越高，獲取相同圖像質(zhì)量所需的成像時間越短，因此相機(jī)的低噪聲特性至關(guān)重要。為精確評估成像技術(shù)質(zhì)量，通常需要對同一原子云進(jìn)行多次成像——每次曝光100毫秒，間隔短暫延遲，累計拍攝10次以上。"

另一挑戰(zhàn)是檢測波長處于近紅外(NIR)光譜區(qū)(852納米)，這要求相機(jī)具備寬光譜量子效率范圍和良好的NIR靈敏度。此外，小像素尺寸可降低光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜度，而大尺寸傳感器能更輕松地捕捉原子云信號，簡化實驗校準(zhǔn)流程。

Kinetix22相機(jī)憑借卓越的信噪比、小像素和大芯片尺寸，為我們的研究帶來顯著改進(jìn)。"——亞歷山大·因佩爾特羅

解決方案

Kinetix22 sCMOS相機(jī)憑借其22mm大尺寸傳感器、快速讀出速度、小像素尺寸及亞電子級讀出噪聲，成為量子實驗的理想選擇。

因佩爾特羅和維南德分享了使用體驗："此前相機(jī)的讀出時間長達(dá)800毫秒，而Kinetix22可連續(xù)測量同一原子云，效率顯著提升。其亞電子模式信噪比優(yōu)異，未來實驗將采用此模式。此外，6.5μm小像素讓我們無需高倍率(從100x降至40-60x)，大幅縮短光路。22mm芯片尺寸也遠(yuǎn)超舊設(shè)備，更易定位原子，USB即插即用設(shè)計更是錦上添花。"

審核編輯 黃宇