一项发表于《物理评论快报》的研究报告称，研究人员实现了对激光诱导的超冷量子气体中“腔诱导密度波”形成过程的高分辨率成像。研究团队表示，在此之前，这类有序现象主要依赖腔中光子泄漏等全局信号，或通过飞行时间成像观察布拉格峰等方式进行间接探测，尚缺乏对超冷气体中腔诱导密度波有序的直接高分辨率原位成像。

激光、光学腔与统一费米气体

研究介绍，当激光在两面镜子之间往返反射时，光被限制在光学腔内，可形成驻波或在共振条件下被放大。研究对象为置于光学腔中的超冷统一费米气体：该体系处于强相互作用状态，其相互作用由散射长度表征，并不依赖具体原子细节。

研究人员指出，气体中的原子可吸收并发射腔内光子，而原子发射的光子又可被其他原子吸收。光子在原子间的交换引入额外相互作用，使气体在一定条件下自发重排为周期性结构，即密度波。该自组织过程在超过某一临界阈值后发生，被称为超辐射相变；在该阈值下，光子交换使原子能够以集体方式相互作用。

研究作者在论文中表示，腔模式内的光子交换可在原子之间产生可调的长程相互作用，其强度可达到克服温度、动能、势能、原子间排斥或费米压力等能量尺度，从而形成超辐射相。作者同时指出，腔中泄漏光子可提供关于有序过程动力学的实时、弱破坏性信息；而超辐射伴随的空间有序，传统上可通过飞行时间成像中的布拉格峰进行检测。

直接观测密度波形成过程

为实现对密度波形成的成像，研究团队搭建了高数值孔径显微镜系统，并将实时光子探测与高分辨率吸收成像结合。吸收成像通过测量探测光束穿过样品后的强度衰减来获取原子密度信息。实验中，团队先用腔内泵浦激光驱动气体进入超辐射相，随后利用吸收成像对有序形成过程进行观测。研究团队称，该方法可用于分析有序过程中的密度相关性，并能在更高阶腔模式下观察有序现象。

论文写道，单次成像与腔光子“单轨迹”读出相结合，使研究人员首次能够重建原子—场相关性，从而检验腔诱导相互作用的基础。

研究团队报告称，他们观测到长程空间相关性，并可实时追踪密度波的形成与动力学过程。结果显示，空间模式受腔模式结构控制，原子与光子观测量呈高度相关。成像还显示云团中密度波的相位与振幅较为均匀，研究人员据此认为结果支持“无限远程相互作用”的存在。

研究团队表示，这一显微成像技术有望扩展至更复杂量子态中磁化或配对模式的成像，并可用于相互作用模式的工程化设计与新量子相的探索。