自由空间中 $^6$Li 的自旋分辨单原子成像

我们提出了一种具有单粒子灵敏度的费米子 $^6$Li 原子通用成像方案。我们的方法适用于自由传播的粒子，并完全消除了成像过程中对囚禁势的需求。我们用共振光照射自由空间中的单个原子，并利用高数值孔径成像系统将荧光收集到电子倍增 CCD 相机上。在 20 $\mu$s 曝光时间内，我们每个原子探测到约 \num{20} 个光子，并以 $99.4\pm0.3$ % 的保真度识别单个原子。通过在连续两次曝光中寻址不同光学跃迁，我们还分辨了每个粒子的超精细自旋态。鉴于成像脉冲期间粒子的扩散运动，该成像方案的位置不确定度为 4.0 $\mu$m。无囚禁势使得能够进行读出过程，例如我们在此演示的飞行时间中单粒子动量测量。我们的成像方案技术上简单，且易于适配到其他原子种类。