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納米轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)完成二維量子極限控制
2026-04-08 11:55:58
來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)  作者: 張佳欣

奧地利維也納大學(xué)聯(lián)合維也納工業(yè)大學(xué)和德國(guó)烏爾姆大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)首次在二維方向上,將一個(gè)懸浮納米轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)冷卻至量子基態(tài),完成了轉(zhuǎn)動(dòng)取向的量子極限控制。這一成果被認(rèn)為是邁向量子精密測(cè)量的重要里程碑。相關(guān)成果發(fā)表于最新一期《自然·物理學(xué)》雜志。

在宏觀世界中,微小顆??倳?huì)因熱能不斷抖動(dòng)和旋轉(zhuǎn),而溫度正是這種運(yùn)動(dòng)強(qiáng)弱的體現(xiàn)。經(jīng)典物理認(rèn)為持續(xù)降溫可以讓粒子完全停止運(yùn)動(dòng),但量子力學(xué)指出,即使在絕對(duì)零度,粒子仍會(huì)保留無(wú)法消除的最低能量,其取向也必然存在不確定性,這種現(xiàn)象被稱(chēng)為量子零點(diǎn)漲落。

團(tuán)隊(duì)利用激光在超高真空環(huán)境中捕獲二氧化硅納米顆粒,使其成為近乎理想的諧振子。這種顆粒不僅會(huì)像鐘擺一樣發(fā)生前后振動(dòng),還會(huì)像扭擺一樣發(fā)生角度擺動(dòng),相當(dāng)于同時(shí)具備平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)兩種運(yùn)動(dòng)模式。當(dāng)溫度降至僅比絕對(duì)零度高萬(wàn)分之一攝氏度時(shí),其能量不再連續(xù)變化,而只能在離散量子能級(jí)間躍遷,其中最低能級(jí)就是量子基態(tài)。

此前,科學(xué)家已能把懸浮納米顆粒的平動(dòng)運(yùn)動(dòng)冷卻到量子基態(tài),但轉(zhuǎn)動(dòng)控制難度更高,且僅在單一方向?qū)崿F(xiàn)。這項(xiàng)研究首次在兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向上同時(shí)實(shí)現(xiàn)量子基態(tài)冷卻,向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的量子控制邁出關(guān)鍵一步。

實(shí)驗(yàn)中,團(tuán)隊(duì)使用一種“納米啞鈴”結(jié)構(gòu)作為轉(zhuǎn)子。該結(jié)構(gòu)由兩個(gè)直徑約150納米的二氧化硅小球組成,在激光電場(chǎng)作用下,這個(gè)微小轉(zhuǎn)子就像被一根“看不見(jiàn)的彈簧”固定住方向。隨著冷卻過(guò)程推進(jìn),轉(zhuǎn)子溫度降低到僅比絕對(duì)零度高幾十微開(kāi)爾文,最終其轉(zhuǎn)動(dòng)能量冷卻至量子基態(tài)。在這一狀態(tài)下,轉(zhuǎn)子的取向不確定性?xún)H約20微弧度,已接近量子力學(xué)允許的理論極限。

團(tuán)隊(duì)表示,此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的運(yùn)動(dòng)幅度已小于單個(gè)原子直徑的百分之一。這就好比一根指南針的指針,其指向精度已經(jīng)優(yōu)于一個(gè)細(xì)菌的寬度。這一成果為未來(lái)開(kāi)展轉(zhuǎn)動(dòng)自由度物質(zhì)波干涉實(shí)驗(yàn),以及開(kāi)發(fā)超高靈敏量子力矩傳感器奠定了基礎(chǔ),有望在基礎(chǔ)物理研究和精密測(cè)量領(lǐng)域發(fā)揮作用。

編輯:韓夢(mèng)晨
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