量子物理与经典物理边界：纳米粒子二维量子冻结

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自从量子理论出现以来，“物体尺寸在多小时，将由量子力学而非经典物理所描述？”这个问题一直没有得到解答。而对在极端真空中被捕捉的玻璃纳米粒子的研究被认为有希望探索解决这一量子世界极限的问题。实现这一目标的关键一步是尽可能减少存储在纳米粒子运动中的能量，即将粒子冷却至所谓的量子基态。

物理学家正在研究真空中被激光捕获的玻璃纳米粒子，以探索量子世界的极限，并确定经典物理学何时不再适用。

在因斯布鲁克大学的 Gonzalez-Ballestero博士和 Romero-Isart教授的理论计算的支持下，苏黎世和维也纳之前的几项实验证明了纳米粒子的这种基态冷却，他们通过使用电子控制抑制粒子（主动反馈）或将粒子放置在两个镜子之间（基于腔的冷却）进行运动。但在之前实验中，实验团队仅沿粒子运动的三个方向之一实现了基态，而沿其他两个方向的运动并未冷却。

“沿多个方向实现基态冷却是探索新量子物理学的关键，”奥地利科学院量子光学和量子信息研究所和因斯布鲁克大学理论物理系的Gonzalez-Ballestero强调说。“但到目前为止，这一成就仍然难以捉摸，因为要使粒子所在的镜子与沿三个方向中的一些方向的运动有效地相互作用是一项巨大的挑战。”所谓的“暗模式效应”阻止了物体冷却到完全基态。

带有实验装置的真空室使空腔内的粒子悬浮，腔体由两个涂层反射镜组成，对红外光具有极强的反射性。中心的圆柱形部分在其尖端装有一个透镜，用于将红外激光聚焦到捕获粒子的点。

昨天，来自苏黎世联邦理工学院和维也纳大学的联合研究团队在Nature上发表文章，称他们首次成功实现了纳米粒子沿两个运动方向的基态冷却。一个玻璃纳米粒子，大约比一粒沙子小一千倍，在高真空中与环境完全隔离，并由强烈聚焦的激光束保持，同时冷却到接近绝对零。根据因斯布鲁克团队的理论预测，使用不同频率朝向能够绕过暗态问题。“为此，我们设计了粒子在两个不同方向上振荡的频率，并仔细调整了激光的偏振，”苏黎世联邦理工学院的 Lukas Novotny 说。

实验装置示意图

通过控制纳米粒子机械模式的频率分离和腔耦合强度，他们展示了纳米粒子从1D到2D基态冷却的转变。这种2D控制为用于旋转传感的量子限制轨道角动量状态奠定了基础，并且与前面所示的第三运动轴上的基态冷却相结合，可能允许对大质量物体进行全3D基态冷却。

研究团队称，实验允许在两个方向上创建脆弱的量子态，这一结果还可用于创建超灵敏陀螺仪和传感器。

参考文献：

https://www.nature.com/articles/s41567-023-01956-1

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