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利用千眼狼sCMOS相機開展冷離子云成像與測量實驗

1實驗背景

冷離子云成像與測量是量子精密測量、多體物理以及量子模擬等前沿交叉領域的重要研究課題，作為理想的孤立量子系統，為驗證本征態熱化假說（Eigenstate Thermalization Hypothesis, ETH）提供了理想平臺。ETH提出多體量子系統的單個本征態可表現出與熱平衡態一致的統計行為。

冷離子云成像與測量領域，EMCCD相機成像技術存在以下局限性：

長時間使用面臨電子器件老化，且增益不穩定，需頻繁校準。
乘性噪聲引入，降低了有效量子效率，動態范圍受限，難以同步捕獲冷離子云的亮/暗區域細節。
工藝復雜，維修困難，體積重量功耗不友好，且進口受限，價格昂貴。

2實驗簡介

為突破上述局限，某物理實驗室，選型一款國產千眼狼高性能sCMOS相機Gloria 1605（圖1），此款科學相機擁有800×600分辨率，16μm大像元尺寸，＜1 e-低讀出噪聲，90.7% QE，模數轉化位深16 Bit，40000：1高動態范圍極致參數，可顯著提升圖像質量與信噪比。實驗對象為真空腔內的冷離子云，配備532 nm激光照亮，sCMOS相機曝光時間設置為100 ms，采用低噪聲模式，并通過靈活使用色階調節對比度增強顯示效果，目的提高冷離子云弱信號的可視性。

圖1

3實驗數據與解析

圖2展示了sCMOS相機 Gloria 1605拍攝到的冷離子云圖像，從圖中可以清晰觀察到冷離子云的形態、尺寸以及內部的分布特征。sCMOS相機對極弱信號的捕捉能力強大，保持較高的信噪比，使得離子云的內部結構得以清晰呈現。

圖2

通過時間序列進一步分析，sCMOS相機捕獲了冷離子云從非平衡態向穩態弛豫過程（圖3），精準量化了局部動力學漲落，同時Gloria 1605的高動態范圍特性支持冷離子云亮/暗區域細節的良好呈現。

搜狗高速瀏覽器截圖20250814092756.png

圖3

4實驗結論

本次實驗表明，利用高性能sCMOS相機可有效進行冷離子云的成像和測量。千眼狼Gloria 1605相機在極弱信號環境下展現出優異的探測性能，清晰捕捉冷離子云在孤立系統中的演化過程，并從中提取關鍵參數與ETH理論預測進行了對比分析，為該理論在冷離子體系中的適用性提供了實驗依據。

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