光和电子的子周期相互作用一直是自由电子激光器，阿秒科学和物质动力学研究的关键领域之一。用光场捕获电子的潜在子循环动力学因其空前的时间分辨率而十分迷人。然而，严格的同步要求使它的实现遥不可及。在这里，通过对周期性电子束条纹的直接空间观察，作者展示了激光划线概念，用于揭示在亚相对论激光强度下从等离子体镜发射的自由电子的动力学。场致电子束偏转表明子循环电荷动力学，其斑纹速度为~60μrad as-1。这为我们提供了一个阿秒分辨率的度量衡，以获取有关等离子镜中光场感应的电子动力学的更直接的证据。作者的结果提供了对阿秒动力学的前所未有的表征，并为进行阿秒电子与强激光相互作用的广泛实验研究开辟了道路。 查看详细>>

每个物理学家都知道一个称为精细结构常数α的基本常数的近似值（1/137）。该常数描述了粒子物理学标准模型中基本粒子之间电磁力的强度，因此对于物理学的基础至关重要。例如，氢原子的结合能（使原子的电子和质子分裂所需的能量）约为与电子质量相关的能量的α2/2倍。此外，电子的磁矩比带电的点状粒子的预期磁矩小大约1+α/（2π）倍。磁矩的这种“异常”已被证实具有越来越高的准确性，成为标准模型的最大胜利。莫雷尔等人在《自然》中报道了对α的测量，其精确度为每万亿分之81，比先前的最佳测定结果提高了2.5倍。 α的测量包括三个步骤。首先，激光束使原子吸收并发射多个光子，并在此过程中反冲。原子的质量是通过测量该后坐力的动能来推导的。其次，使用原子质量与电子质量的精确已知比率来计算电子质量。第三，由电子的质量和氢原子的结合能确定α，这从光谱学可以得知。 查看详细>>

最新的原子钟基于对两个原子能级之间能量差的精确检测，该能量差是根据给定时间间隔内累积的量子相来衡量的。光学光栅时钟（OLC）的稳定性受到本地振荡器激光对原子系统的打扰（迪克噪声）和由与离散测量相关的量子噪声引起的标准量子极限（SQL）的限制结果。尽管最近已经提出并实现了用于消除Dick噪声的方案，但是仅在具有有限稳定性的微波时钟的原理验证实验中，证明了通过原子之间的工程量子相关性（纠缠）实现的超越SQL的性能。在光学时钟转换上纠缠的产生以及超出SQL的OLC的操作代表了量子计量学中的重要目标，但尚未通过实验证明。在这里，我们报告了在OLC跃迁上创建多原子纠缠态的情况，并用它演示了在减去本地振荡器噪声后，SQL下Allan偏差的Ramsey序列。通过使用由数百个Yt171原子组成的集合体，我们在SQL上获得了4.4+0.6-0.4分贝的计量增益，相当于将平均时间减少了2.8±0.3倍。目前，我们的结果受到本地振荡器的相位噪声和Dick噪声的限制，但是证明了通过使用纠缠技术，先进的OLC可能会改善性能。这将使计时精度和精确度在许多科学技术应用中得到进一步发展，包括对物理基本定律，大地测量学和引力波检测的精确测试。 查看详细>>

粒子物理学的标准模型非常成功，因为它与（几乎）所有实验结果一致。但是，它无法解释暗物质、暗能量以及宇宙中物质与反物质之间的不平衡。由于标准模型预测和实验观察之间的差异可能提供了新的物理学证据，因此，对这些预测的准确评估需要基本物理常数的高精度值。其中，精细结构常数α特别重要，因为它设定了光与带电基本粒子（例如电子和μ子）之间的电磁相互作用的强度。在这里，我们使用物质波干涉法测量吸收光子的铷原子的反冲速度，并确定相对于81万亿分之一的相对精度的精细结构常数α-1=137.035999206（11）。α的11位数字的精确度导致电子g因子--对标准模型的最精确的预测--大大减少了不确定性。我们的细微结构常数值与铯反冲测量的最佳可用结果相差超过5个标准差。我们的结果修改了对可能的候选暗物质粒子的约束，这些暗物质粒子被提议用来解释8Be核激发态的异常衰减，并为测试在电子扇形体中的μ的磁矩异常中观察到的差异铺平了道路。 查看详细>>

1915年，阿尔伯特·爱因斯坦在广义相对论中描绘了我们世界的全新面貌：与牛顿的理论相反，万有引力不是力，而是时空几何学的结果。大质量的加速运动会导致这种几何形状发生波动。这些涟漪被称为引力波，对它们的观察正在改变我们体验宇宙的方式。 引力波 诸如恒星和星系之类的大质量会使它们周围的时空变形。如果其他物体穿过这些区域，它们就会偏离原来的路径，显然被大质量物体吸引了。根据爱因斯坦的说法，实际上发生的是，物体只是沿着大质量周围的时空变形而遵循为它们绘制的路径。 加速的质量引起时空连续体中的微扰，这些微扰以光速向各个方向传播。这些时空干扰称为引力波。它们交替拉伸和压缩空间-从而改变了空间中对象之间的距离。 阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）于1916年预测了这些引力波的存在，但是直到1990年代，技术才变得强大起来，足以检测到引力波并将其用于科学。引力波对双星脉冲星系统（两个中子星彼此绕行）的影响已被精确测量，并且与预测结果非常吻合。1993年，R.A.Hulse和J.H.Taylor的这项观察获得了诺贝尔物理学奖。 检测引力波 2015年9月14日，首次从二元黑洞合并中直接检测到引力波，已经证实了爱因斯坦对波浪的视线，并可以从迷人而独特的视角观察到宇宙的阴暗面。由于首次直接检测引力波而获得了2017年诺贝尔物理学奖。 截止到今天，高级LIGO和Advanced Virgo探测器已经进行了十几次直接引力波探测，这些探测主要来自合并的黑洞对。GEO600开发和测试的技术对于这些观察至关重要。 听宇宙 引力波天文学为我们的宇宙打开了一个全新的窗口。引力波是由遥远宇宙中的剧烈事件产生的，例如，两个黑洞或中子星的碰撞或超新星爆炸所产生的引力波。它们通过加速质量而发出，其方式与通过加速电荷产生无线电波的方式相同-例如，天线中的电子。时空结构中的这些涟漪传播到地球，带来了有关其暴力起源和引力性质的信息，而其他天文学工具无法获得这些信息。 挑战 但是，由引力波引起的距离变化很小：即使我们附近发生的强事件产生的引力波，如银河系中的超新星爆炸，也只能使地球与太阳之间的总距离改变大约一个氢原子直径-仅持续几千分之一秒。对于较短的距离，其影响相应较小：在仅一公里的距离上进行测量时，必须检测质子直径的千分之一，以确定引力波的通过。这是引力波检测器测量的效果。巨大的挑战是要消除许多隐藏信号的干扰，例如各种地震振动，甚至探测器中的量子力学效应。 查看详细>>

实验室中超冷极性分子的实现将物理和化学推向了新的领域。尤其是，这些极性分子为科学家提供了前所未有的机会，以探索量子效应变得深远的超冷状态下的化学反应。然而，到目前为止，关于两体损失如何在相互作用的多体系统中依赖于量子相关性的一个关键问题仍然悬而未决。在这里，我们提出了许多直接关系，将两体损失与其他物理可观测量直接联系起来，包括动量分布和密度相关函数。这些关系对于粒子数、温度和相互作用强度等任意微观参数均有效，它们在确定量子反应分子在多体环境反应中的反应速率时发挥了至关重要的作用，即稀薄量子系统的基本数量的接触。我们的工作打开了一个与量子化学交织的未开发领域的大门；原子，分子和光学物理学；和凝聚态物理。 查看详细>>

时间分辨拉曼光谱技术提供了多种方法来研究液体或气体中的分子振动以及晶体中的光子的动力学。虽然这些技术提供了振动模式的相干时间，但它们无法揭示在拉曼相互作用期间自发地在光和振动之间创建的脆弱的量子相关性。在这里，我们提出了一个利用自发拉曼散射的通用特性的方案，以证明光与集体分子振动之??间的贝尔相关性。我们用亚皮秒级的时间分辨率测量了这些混合光子-声子贝尔相关性的衰减，发现它们在环境条件下可以承受数百次振荡。我们的方法提供了一种通用的方法来在光和分子振动之??间产生纠缠。此外，我们的结果为研究更复杂的固态和分子系统处于自然状态时的量子相关性铺平了道路。 查看详细>>

光的量子性质的操纵涉及其在技术上具有挑战性的与物质的强相互作用。现在，一项实验表明，当光通过波导传播时，它只需要一条弱耦合的原子线就能分离出其光子，或者将它们束在一起，从而揭示并控制其量子性质。 激光输出由以随机时间间隔发射的光子组成的电磁波。这意味着通过检测光子，一个人不知道下一个光子何时到达的信息。这样的性质使光看起来尽可能经典，隐藏了其固有量子性质的各个方面。要改变这种行为，就需要操纵光子，例如使它们以一定的数目聚集在一起，或者一次将它们分开，改变电磁波的光子统计量，并可能随后揭示光的“量子”。如果光子统计不能用任何经典的统计分布来描述，我们将光称为“量子”或“非经典”光。 量子光是量子信息科学中若干应用程序的核心，例如量子感测、量子计量、量子通信、量子模拟和量子信息处理。不幸的是，尽管非常需要非经典的光状态，但要实现它们却是一项艰巨的任务。 查看详细>>

实现在室温下工作的太赫兹量子级联激光器的过程，在珀尔帖冷却器可及的范围内，有了工作于–23°C的设备的消息，就向前跃进了一步。 太赫兹（THz）波是电磁辐射，位于光学和微波领域之间的频谱部分。由于许多形式的冷凝物，分子化合物，蒸气和气体具有与太赫兹波共振的不同物理特征，因此太赫兹区在光谱学和成像中的许多应用中显示出广阔的前景。因此，使用太赫兹光谱技术可以很容易地发现或成像许多物质。太赫兹光谱学的早期驱动力之一是需要用于天体观测和环境监测的高灵敏度仪器。如今，对THz敏感的人工鼻子也可以使安全和公共安全受益，因为可以通过检测THz频谱特征来识别许多常见的爆炸物和非法药物。此外，在生物学中，DNA的太赫兹光谱法引起了极大的兴趣。 但是，由于缺少在室温下工作的太赫兹波的半导体源，许多太赫兹系统的成本，复杂性和便携性仍然受到阻碍。令人惊讶的是，太赫兹频率范围仍然避开了半导体技术的广泛发射能力，该技术已经非常先进并服务于其他附近的频率区域，即可见光，红外，无线电和微波领域。确实，迄今为止，在太赫兹区域工作的半导体量子级联激光器（QCL）已被限制在需要低温冷却的低温下。 查看详细>>

用超快激光脉冲操纵弱结合的氦二聚体揭示了它们的量子行为。该方法为研究其他奇异和易碎的量子态的低能动力学开辟了一条途径。 Her Majesty最著名的秘密特工（他的最新电影和其他所有电影一样，都因COVID-19大流行而被推迟）只会接受他摇摇晃晃的马提尼酒，没有搅动。但是，一些物理学家更喜欢让氦二聚体轻轻旋转，而不是摇动-结果使他们能够像我们的电影超级英雄一样拥有出色的实验控制能力。Maksim Kunitski和他的同事在《自然物理学》上发表文章说，他们已经使用短激光脉冲轻柔地操纵了一个脆弱的氦二聚体，该二聚体仅受150 neV（对应于1.7 mK的温度）的束缚，从而使他们能够通过波包干涉法控制，观察和研究其微妙的量子行为。 查看详细>>