原子1個を”カメラ”として利用 − 光学顕微鏡の限界を超える分解能で光の強度と偏光を可視化 −

2026-05-29 分子科学研究所

自然科学研究機構分子科学研究所の富田隆文助教、大森賢治教授らの研究グループは、光ピンセットで捕捉した単一の超低温ルビジウム原子を“カメラ”として利用する新しい光計測技術「アトムカメラ」を開発した。従来の光学顕微鏡は回折限界により観測分解能が制約されるが、本手法ではほぼ絶対零度まで冷却した単一原子を走査型プローブとして利用し、光の強度分布だけでなく偏光分布も100ナノメートル以下の高分解能で可視化することに成功した。原子をナノメートル精度で移動させながらスピン状態のエネルギー変化を測定し、その情報から局所的な光の強度や偏光を再構成する。実験では、特殊な光学デバイスが作る微細な光格子構造や、強く集光したレーザー光内部に形成される複雑な円偏光分布を直接観測した。分解能は原子の量子力学的な位置揺らぎによって決まり、理論上は約25ナノメートルに達する。本技術は、中性原子量子コンピュータや量子シミュレータにおけるレーザー光制御の高度化に貢献するほか、ナノスケール光学や量子計測分野への幅広い応用が期待される。

原子1個を”カメラ”として利用 − 光学顕微鏡の限界を超える分解能で光の強度と偏光を可視化 −
図1.アトムカメラの概念図。光ピンセット中に捕捉された1個の超低温ルビジウム(Rb)原子を空間的に掃引し、光パターンの強度分布および偏光分布を可視化する。

<関連情報>

原子カメラ:超低温原子1個を用いた光パターンの超解像走査顕微鏡 Atom camera: super-resolution scanning microscope of a light pattern with a single ultracold atom

T. Tomita,Y. T. Chew,R. A. Villela,T. P. Mahesh,H. Sakai,K. Nishimura,T. Ando,S. de Léséleuc & K. Ohmori
Nature Communications  Published:29 May 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73348-x

Abstract

Sub-micrometer light patterns play a pivotal role in biology, biophysics, and AMO physics, yet their in situ characterization is limited in spatial resolution and sensitivity. Here, we present an atom camera with a single ultracold atom in an optical tweezer as a scanning probe. Measuring the energy shift on the spin states with the long coherence time and polarization-sensitive transitions yields highly sensitive, high-resolution 2D imaging of both intensity and polarization ellipticity. We characterize the polarization of a tightly-focused beam, observing its non-trivial profile. The spatial resolution is fundamentally limited by the atom’s position uncertainty, suppressed down to quantum fluctuations (~25 nm) in the motional ground state of the tweezer, with an experimentally obtained upper bound of σ ≤ 96(4) nm. This method enables imaging beyond the diffraction limit, surpassing previous approaches limited by thermal fluctuations of the atom, and provides a powerful tool for designing and analyzing submicron-scale light patterns.

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