物质被量子化的宏观量子态,成功控制处于量子状态的纳米粒子!

科学家使用激光将玻璃纳米颗粒悬浮并冷却到量子区域,虽然它被困在室温环境中,但粒子的运动完全受量子物理定律支配。来自维也纳大学、奥地利科学院和麻省理工学院(MIT)的科学家团队在《科学》期刊上发表了其该新研究成果。众所周知,单个原子的量子性质可以用激光来控制和操纵。即使是由数亿个原子组成的大原子云也可以被推入量子区域,从而产生物质的宏观量子态。

如量子气体或玻色-爱因斯坦凝聚体,这些物质今天也被广泛用于量子技术。令人兴奋的下一步是:将这种级别的量子控制扩展到固态物体。与原子云相比,固体的密度要高出十亿倍,所有原子都会沿着物体的质心一起运动。然而,进入这个新量子区域并不是一件简单的事情,实现这种量子控制的第一步是:将被研究物体与环境的影响隔离,并移除所有热能,通过将其冷却到非常接近绝对零度(-273.15摄氏度)的温度,以便量子力学主导粒子的运动。

为了证明这一点,研究人员选择用比一粒沙子小约1000倍、包含数亿个原子的玻璃纳米颗粒进行实验。与环境的隔离是通过在高真空中,将粒子光学捕获在紧密聚焦的激光束中实现,这一技巧最初是由诺贝尔奖获得者阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)在几十年前提出,也被用于隔离原子。维也纳大学的主要作者乌罗斯·德利奇(Uros Delic)表示:真正的挑战是将粒子运动冷却到量子基态

通过原子跃迁进行激光冷却是公认的,对原子来说是一个自然选择,但它对固体不起作用。出于这个原因,该研究团队一直致力于实施一种激光冷却方法。该方法由因斯布鲁克大学的奥地利物理学家赫尔穆特·里奇(Helmut Ritsch)提出,并由研究合著者弗拉丹·武利蒂奇(Vladan Vultic)和诺贝尔奖获得者朱(Steven Chu)独立提出。现在研究团队宣布了原理的第一个演示,通过相干散射来冷却空腔。

然而,他们仍然被限制在远离量子区域的地方工作。研究团队已经升级了实验,现在不仅可以去除更多的背景气体,还可以发送更多的光子进行冷却。这样,玻璃纳米颗粒的运动可以直接冷却到量子区域。想想看很有趣:玻璃纳米颗粒表面非常热,在300摄氏度左右,因为激光加热了材料中的电子,但粒子质心的运动是超冷的,距离绝对零度在0.00001摄氏度左右,可以证明热粒子以量子方式运动。

研究人员对研究的前景表示感到兴奋,与维也纳大学的团队一起,世界各地的其他研究小组也对固体量子运动进行了研究。到目前为止,实验系统由纳米和微机械谐振器组成,本质上是固定在刚性支撑结构上的鼓或跳板。维也纳大学的合著者兼助理教授尼古拉·基塞尔(Nikolai Kiseel)说:激光悬浮带来了更多的自由:通过改变光学陷阱,甚至关闭它,研究可以用全新的方式操纵纳米粒子运动。

在奥地利科学院物理学家Oriol Romero-Isart和因斯布鲁克的Peter Zoller已经提出了几个沿着这些路线的方案,现在可能成为可能了。例如,与新获得的运动基态相结合,研究人员预计这将为前所未有的传感性能、量子热机基本过程的研究,以及涉及大质量量子现象的研究打开新机会。十年前在一种新的量子实验前景推动下开始了这项实验,现在科学家们终于打开了通往这一定律的大门。

博科园|研究/来自:维也纳大学

参考期刊《科学》

DOI: 10.1126/science.aba3993

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