成功控制處于量子狀態(tài)的納米粒子，物質(zhì)被量子化的宏觀量子態(tài)！

科學(xué)家使用激光將玻璃納米顆粒懸浮并冷卻到量子區(qū)域，雖然它被困在室溫環(huán)境中，但粒子的運(yùn)動(dòng)完全受量子物理定律支配。來(lái)自維也納大學(xué)、奧地利科學(xué)院和麻省理工學(xué)院（MIT）的科學(xué)家團(tuán)隊(duì)在《科學(xué)》期刊上發(fā)表了其該新研究成果。眾所周知，單個(gè)原子的量子性質(zhì)可以用激光來(lái)控制和操縱。即使是由數(shù)億個(gè)原子組成的大原子云也可以被推入量子區(qū)域，從而產(chǎn)生物質(zhì)的宏觀量子態(tài)。

如量子氣體或玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體，這些物質(zhì)今天也被廣泛用于量子技術(shù)。令人興奮的下一步是：將這種級(jí)別的量子控制擴(kuò)展到固態(tài)物體。與原子云相比，固體的密度要高出十億倍，所有原子都會(huì)沿著物體的質(zhì)心一起運(yùn)動(dòng)。然而，進(jìn)入這個(gè)新量子區(qū)域并不是一件簡(jiǎn)單的事情，實(shí)現(xiàn)這種量子控制的第一步是：將被研究物體與環(huán)境的影響隔離，并移除所有熱能，通過(guò)將其冷卻到非常接近絕對(duì)零度（-273.15攝氏度）的溫度，以便量子力學(xué)主導(dǎo)粒子的運(yùn)動(dòng)。

為了證明這一點(diǎn)，研究人員選擇用比一粒沙子小約1000倍、包含數(shù)億個(gè)原子的玻璃納米顆粒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。與環(huán)境的隔離是通過(guò)在高真空中，將粒子光學(xué)捕獲在緊密聚焦的激光束中實(shí)現(xiàn)，這一技巧最初是由諾貝爾獎(jiǎng)獲得者阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)在幾十年前提出，也被用于隔離原子。維也納大學(xué)的主要作者烏羅斯·德利奇(Uros Delic)表示：真正的挑戰(zhàn)是將粒子運(yùn)動(dòng)冷卻到量子基態(tài)。

通過(guò)原子躍遷進(jìn)行激光冷卻是公認(rèn)的，對(duì)原子來(lái)說(shuō)是一個(gè)自然選擇，但它對(duì)固體不起作用。出于這個(gè)原因，該研究團(tuán)隊(duì)一直致力于實(shí)施一種激光冷卻方法。該方法由因斯布魯克大學(xué)的奧地利物理學(xué)家赫爾穆特·里奇(Helmut Ritsch)提出，并由研究合著者弗拉丹·武利蒂奇（Vladan Vultic）和諾貝爾獎(jiǎng)獲得者朱(Steven Chu)獨(dú)立提出?，F(xiàn)在研究團(tuán)隊(duì)宣布了原理的第一個(gè)演示，通過(guò)相干散射來(lái)冷卻空腔。

然而，他們?nèi)匀槐幌拗圃谶h(yuǎn)離量子區(qū)域的地方工作。研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)升級(jí)了實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在不僅可以去除更多的背景氣體，還可以發(fā)送更多的光子進(jìn)行冷卻。這樣，玻璃納米顆粒的運(yùn)動(dòng)可以直接冷卻到量子區(qū)域。想想看很有趣：玻璃納米顆粒表面非常熱，在300攝氏度左右，因?yàn)榧す饧訜崃瞬牧现械碾娮樱Ｗ淤|(zhì)心的運(yùn)動(dòng)是超冷的，距離絕對(duì)零度在0.00001攝氏度左右，可以證明熱粒子以量子方式運(yùn)動(dòng)。

研究人員對(duì)研究的前景表示感到興奮，與維也納大學(xué)的團(tuán)隊(duì)一起，世界各地的其他研究小組也對(duì)固體量子運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了研究。到目前為止，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由納米和微機(jī)械諧振器組成，本質(zhì)上是固定在剛性支撐結(jié)構(gòu)上的鼓或跳板。維也納大學(xué)的合著者兼助理教授尼古拉·基塞爾(Nikolai Kiseel)說(shuō)：激光懸浮帶來(lái)了更多的自由：通過(guò)改變光學(xué)陷阱，甚至關(guān)閉它，研究可以用全新的方式操縱納米粒子運(yùn)動(dòng)。

在奧地利科學(xué)院物理學(xué)家Oriol Romero-Isart和因斯布魯克的Peter Zoller已經(jīng)提出了幾個(gè)沿著這些路線(xiàn)的方案，現(xiàn)在可能成為可能了。例如，與新獲得的運(yùn)動(dòng)基態(tài)相結(jié)合，研究人員預(yù)計(jì)這將為前所未有的傳感性能、量子熱機(jī)基本過(guò)程的研究，以及涉及大質(zhì)量量子現(xiàn)象的研究打開(kāi)新機(jī)會(huì)。十年前在一種新的量子實(shí)驗(yàn)前景推動(dòng)下開(kāi)始了這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，現(xiàn)在科學(xué)家們終于打開(kāi)了通往這一定律的大門(mén)。

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博科園｜研究/來(lái)自：維也納大學(xué)

參考期刊《科學(xué)》

DOI: 10.1126/science.aba3993

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