Super-resolved Imaging of a Single Cold Atom on a Nanosecond Timescale

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作者
Zhong-Hua Qian,Jin‐Ming Cui,Xi-Wang Luo,Yong-Xiang Zheng,Yun‐Feng Huang,Ming-Zhong Ai,Ran He,Chuan‐Feng Li,Guang‐Can Guo
出处
期刊:Physical Review Letters [American Physical Society]
卷期号:127 (26) 被引量:15
标识
DOI:10.1103/physrevlett.127.263603
摘要

In cold atomic systems, fast and high-resolution microscopy of individual atoms is crucial, since it can provide direct information on the dynamics and correlations of the system. Here, we demonstrate nanosecond-scale two-dimensional stroboscopic pictures of a single trapped ion beyond the optical diffraction limit, by combining the main idea of ground-state depletion microscopy with quantum-state transition control in cold atoms. We achieve a spatial resolution up to 175 nm using a NA=0.1 objective in the experiment, which represents a more than tenfold improvement compared with direct fluorescence imaging. To show the potential of this method, we apply it to observe the secular motion of the trapped ion; we demonstrate a temporal resolution up to 50 ns with a displacement detection sensitivity of 10 nm. Our method provides a powerful tool for probing particle positions, momenta, and correlations, as well as their dynamics in cold atomic systems.
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