世界首次：硅納米轉子實現旋轉量子基態

最初，被捕獲的轉子呈現出天平動，因此研究人員轉向光冷卻，將溫度降至接近絕對零度。

歐洲多個機構的研究人員合作取得了世界首次突破：將硅納米轉子捕獲在其量子基態。該團隊利用強光將納米粒子的取向限制在量子零點漲落的范圍內，這標志著向旋轉物質干涉測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和旋轉。隨著溫度升高，這種振動和旋轉運動加劇；而物質冷卻時，運動則減弱。根據經典物理學，通過冷卻可以將這些粒子的運動完全停止，但量子力學告訴我們并非如此。

根據量子力學，即使在絕對零度，粒子仍保留部分能量并保持無序——即它們的量子基態。當粒子冷卻到接近絕對零度時，它們的能量不再連續變化，而是以與其量子基態相關的量子化能級步進變化。

維也納大學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。但冷卻旋轉運動被證明具有挑戰性，且僅由蘇黎世聯邦理工學院的研究人員在一維上實現。

二維冷卻

在維也納大學、維也納技術大學和烏爾姆大學的研究人員進行的一系列新實驗中，團隊利用激光的電場捕獲了一個納米啞鈴轉子。最初，被捕獲的轉子呈現熱角振蕩或天平動，因此研究人員轉向光冷卻，將溫度降至接近絕對零度。

為實現這一目標，研究人員采用了相干散射技術：將納米粒子捕獲在100 MW/cm2的光強中，并將其散射到光學諧振腔內。在這個過程中，單個光子將粒子旋轉的一個機械能量量子攜帶走，進入光學諧振腔，從而冷卻納米轉子粒子。

通過在兩個軸向上進行這一操作，該研究首次實現了轉子取向的量子極限對準，其方向的不確定性僅在20微弧度以內。

"轉子的尖端移動距離小于單個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到優于一個細菌寬度的精度。"

新一代量子技術

這一系列實驗不僅是實驗室的成就，也為新一代量子技術打開了大門。轉子每轉一圈，最終都會回到相同的取向。這些量子效應在線性運動中沒有對應物。

例如，當捕獲光被關閉時，納米轉子可以同時向各個方向旋轉，就像處于取向的疊加態一樣。因此，這些旋轉粒子為未來的實驗提供了新的見解和能力，有望催生新一代量子技術。

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

低溫納米轉子對小扭矩也很敏感，因此成為量子扭矩傳感（量子技術的另一個新興領域）的理想選擇。

該研究成果發表在《自然·物理學》期刊上。

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