La fluorescencia de un solo átomo/ion es visible a simple vista (por ejemplo, en una trampa o cavidad fuertemente acoplada)

Question

Recuerdo haber asistido a una conferencia de una persona (posiblemente Rainer Blatt) que investigaba con iones atrapados (o átomos individuales fuertemente acoplados a la luz en una cavidad óptica), y la persona mostró una foto de la trampa con puntos de luz de la fluorescencia de los átomos/iones individuales. Pensé que la persona mencionó que se podía ver esto a simple vista, ya que el acoplamiento óptico con el ion en la trampa era tan fuerte, pero pensando en ello ahora no estoy seguro de que esto pueda ser cierto y no puedo encontrar ninguna referencia (obvia) a esto en la literatura.

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Así que mi pregunta: ¿Es posible ver a simple vista la luz de un átomo o ion fuertemente acoplado? Si es así, ¿podría indicarme una referencia (y ojalá una imagen de esto también)?

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Nota: Lo mejor que puedo encontrar es la imagen de abajo del Grupo de investigación Blatt tomada con un CCD ( detalles aquí ). Sin embargo, no es en absoluto evidente que esto sea visible a simple vista, o si la exposición se ha ajustado muy alta en la cámara.

Answer 1

Los experimentos con iones atrapados suelen utilizar la fluorescencia para detectar los iones. Esto significa que utilizan una bomba más o menos potente para llevar al ion desde su estado básico a un estado de excitación permitido por el dipolo y esperan a que el ion decaiga emitiendo un fotón en una dirección aleatoria, y luego vuelven a ejecutar el ciclo una y otra vez. Esto significa que cada ion emite esencialmente un fotón por vida natural de la línea, que puede ser bastante frecuente (en términos atómicos) para las líneas con dipolo permitido.

Un ejemplo, tomado de este documento es un $S$ - $P$ línea en $\mathrm{Ca}^+$ con un ancho de línea de 21 MHz, a 397 nm. Esto significa que cada uno de los iones emitirá unos 20 millones de fotones por segundo, repartidos uniformemente por $4\pi$ ángulo sólido. Esto está en general justo por debajo del límite de la sensibilidad humana, pero si se tuviera una apertura numérica lo suficientemente alta y un fondo lo suficientemente oscuro, en principio se podría hacer. He preguntado a los autores y me han dicho que no pueden hacerlo por falta de acceso óptico suficiente (tienen enormes imanes en el camino) y que no conocen a nadie que lo haga, pero que en principio es casi factible.

Answer 2

Se ha demostrado que el ojo humano, en condiciones de adaptación a la oscuridad, es capaz de detectar un solo fotón (es decir, la retina reacciona, la señal llega al cerebro y [la magia ocurre] para generar una respuesta en las partes conscientes del cerebro. Dado que lo que preguntas es la liberación de un fotón, no importa cuál sea la fuente. Mientras la longitud de onda del fotón esté en el rango de respuesta de la retina y no haya "ruido" óptico que lo ahogue, puede ser detectado.

Editar en respuesta a los comentarios:
El artículo referenciado (que es un poco antiguo) concluye de hecho que la detección de 9 fotones dentro de la constante de tiempo lleva a la detección del cerebro con un 60% de probabilidad. Tengo la firme sospecha de que, con una probabilidad baja, un solo fotón podría desencadenar una detección cerebral. Si puedo encontrar el informe de otro estudio, lo incluiré aquí.

editar 2

Con muchas gracias a EmilioP por encontrar este documento Parece que un solo fotón puede ser detectado

con una probabilidad significativamente superior al azar

Answer 3

Sí, un solo átomo/ion puede ser visible a simple vista, y a continuación se muestra una foto de un solo ion de estroncio para demostrar su aspecto (imagen de aquí ).

Esta fotografía fue tomada por David Nadlinger, un científico de la Universidad de Oxford que declaró "La idea de poder ver un solo átomo a simple vista me pareció un puente maravillosamente directo y visceral entre el minúsculo mundo cuántico y nuestra realidad macroscópica". Esta imagen ganó el Concurso Nacional de Fotografía Científica 2018 del Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas.

Answer 4

No veo ninguna razón para no hacerlo. Como argumenta la respuesta de Emilio, no es difícil obtener tasas de dispersión de millones de fotones por segundo. Para ir un paso más allá, supongamos que colocas tu cabeza a unos 10 cm de la fuente de luz para ver bien. Con una apertura de 3 mm en tu ojo, recogerías $$ \frac{\pi(3*10^{-3})^2}{4\pi(0.1)^2} = 0.000225 $$ de la luz, o si estás dispersando el orden de 10 millones por segundo, $0.000225\times10^7=2250$ fotones, que debería estar muy por encima del umbral de tu ojo, incluso después de dividirlo por un factor apropiado para la frecuencia de imagen de tu ojo. Por supuesto, utiliza cualquier lupa y esto se vuelve rápidamente mucho más fácil.

Tenga en cuenta que en la práctica esto se complica por:

• A menudo es difícil acercar físicamente la cabeza a los átomos en estos experimentos, ya que la cámara que contiene el átomo suele estar en medio de una gran mesa óptica (mucho más fácil de colocar una cámara), y las propias cámaras suelen ser grandes.
• Probablemente no quiere para poner la cabeza allí de todos modos porque hay láseres por todas partes
• Muchos de los átomos más comunes utilizados en estos experimentos (por ejemplo, el rubidio) son fluorescentes en el infrarrojo cercano, donde el ojo es terriblemente insensible. Es posible que tengas que utilizar un átomo que fluya en el verde para que sea visible.