世界首次：硅納米轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)量子基態(tài)

最初，被捕獲的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)出天平動(dòng)，因此研究人員轉(zhuǎn)向光冷卻，將溫度降至接近絕對(duì)零度。

歐洲多個(gè)機(jī)構(gòu)的研究人員合作取得了世界首次突破：將硅納米轉(zhuǎn)子捕獲在其量子基態(tài)。該團(tuán)隊(duì)利用強(qiáng)光將納米粒子的取向限制在量子零點(diǎn)漲落的范圍內(nèi)，這標(biāo)志著向旋轉(zhuǎn)物質(zhì)干涉測(cè)量和量子扭矩傳感邁出了重要里程碑。

在我們的日常世界中，粒子由于熱能在不斷振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。隨著溫度升高，這種振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)加劇；而物質(zhì)冷卻時(shí)，運(yùn)動(dòng)則減弱。根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)，通過(guò)冷卻可以將這些粒子的運(yùn)動(dòng)完全停止，但量子力學(xué)告訴我們并非如此。

根據(jù)量子力學(xué)，即使在絕對(duì)零度，粒子仍保留部分能量并保持無(wú)序——即它們的量子基態(tài)。當(dāng)粒子冷卻到接近絕對(duì)零度時(shí)，它們的能量不再連續(xù)變化，而是以與其量子基態(tài)相關(guān)的量子化能級(jí)步進(jìn)變化。

維也納大學(xué)的研究人員此前已成功將懸浮納米粒子冷卻至其量子基態(tài)。但冷卻旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)被證明具有挑戰(zhàn)性，且僅由蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的研究人員在一維上實(shí)現(xiàn)。

二維冷卻

在維也納大學(xué)、維也納技術(shù)大學(xué)和烏爾姆大學(xué)的研究人員進(jìn)行的一系列新實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)利用激光的電場(chǎng)捕獲了一個(gè)納米啞鈴轉(zhuǎn)子。最初，被捕獲的轉(zhuǎn)子呈現(xiàn)熱角振蕩或天平動(dòng)，因此研究人員轉(zhuǎn)向光冷卻，將溫度降至接近絕對(duì)零度。

為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究人員采用了相干散射技術(shù)：將納米粒子捕獲在100 MW/cm2的光強(qiáng)中，并將其散射到光學(xué)諧振腔內(nèi)。在這個(gè)過(guò)程中，單個(gè)光子將粒子旋轉(zhuǎn)的一個(gè)機(jī)械能量量子攜帶走，進(jìn)入光學(xué)諧振腔，從而冷卻納米轉(zhuǎn)子粒子。

通過(guò)在兩個(gè)軸向上進(jìn)行這一操作，該研究首次實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子取向的量子極限對(duì)準(zhǔn)，其方向的不確定性僅在20微弧度以內(nèi)。

"轉(zhuǎn)子的尖端移動(dòng)距離小于單個(gè)原子直徑的百分之一，"參與該研究的研究人員Stephan Troyer解釋道，"這就像指南針的指針被校準(zhǔn)到優(yōu)于一個(gè)細(xì)菌寬度的精度。"

新一代量子技術(shù)

這一系列實(shí)驗(yàn)不僅是實(shí)驗(yàn)室的成就，也為新一代量子技術(shù)打開(kāi)了大門(mén)。轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)一圈，最終都會(huì)回到相同的取向。這些量子效應(yīng)在線性運(yùn)動(dòng)中沒(méi)有對(duì)應(yīng)物。

例如，當(dāng)捕獲光被關(guān)閉時(shí)，納米轉(zhuǎn)子可以同時(shí)向各個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，就像處于取向的疊加態(tài)一樣。因此，這些旋轉(zhuǎn)粒子為未來(lái)的實(shí)驗(yàn)提供了新的見(jiàn)解和能力，有望催生新一代量子技術(shù)。

"我們二維冷卻方法的美妙之處在于它跨越了尺度，"Troyer在新聞稿中補(bǔ)充道。"更大物體的冷卻更容易，但將我們的技術(shù)應(yīng)用于更小的結(jié)構(gòu)，我們希望能夠在旋轉(zhuǎn)中觀察到這種量子干涉。這是探索量子物理與日常生活現(xiàn)象之間界面的一個(gè)有趣系統(tǒng)。"

低溫納米轉(zhuǎn)子對(duì)小扭矩也很敏感，因此成為量子扭矩傳感（量子技術(shù)的另一個(gè)新興領(lǐng)域）的理想選擇。

該研究成果發(fā)表在《自然·物理學(xué)》期刊上。

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