玻璃纳米球的光学悬浮使量子控制成为可能

苏黎世联邦理工学院的研究人员使用激光捕获了一个 100 纳米的小球体，并将其运动减慢到最低的量子力学状态。这项技术可以帮助研究人员研究宏观物体中的量子效应并构建极其灵敏的传感器。

根据量子物理学，为什么原子或基本粒子可以像波一样表现，允许它们同时在几个地方?为什么我们在我们周围看到的一切显然都遵循经典物理定律，而这种现象是不可能的?近年来，研究人员已经诱使越来越大的物体具有量子力学行为。这样做的一个后果是，当这些物体通过双缝时，会形成一种具有波特征的干涉图样。

到目前为止，这可以通过由几千个原子组成的分子来实现。然而，物理学家希望有一天能够用适当的宏观物体观察到这种量子效应。苏黎世联邦理工学院信息技术和电气工程系的光子学教授 Lukas Novotny 和他的合作者现在朝着这个方向迈出了关键的一步。他们的结果最近发表在科学杂志《自然》上。

悬浮纳米球

诺沃特尼实验室的宏观物体是一个由玻璃制成的小球体。虽然它的直径只有一百纳米，但它由多达一千万个原子组成。使用紧密聚焦的激光束，使球体悬停在真空容器内的光阱中，该真空容器冷却到零以下 269 度。温度越低，热运动越小。

“然而，为了清楚地看到量子效应，纳米球需要进一步减速，一直到其运动基态，”Novotny 实验室的博士后 Felix Tebbenjohanns 解释说。球体的振荡及其动能被减少到量子力学不确定关系禁止进一步减少的程度。“这意味着我们将球体的运动能量冻结到接近量子力学零点运动的最小值，”Tebbenjohanns 说。

测量和减速

为了实现这一目标，研究人员使用了一种众所周知的减慢操场秋千的方法：根据秋千发生的位置，在正确的方向上适当地推或拉。挥杆时，好好看看并采取相应的行动就会成功。然而，在纳米球的情况下，需要更精确的测量。该测量包括将球体反射的光叠加到另一束激光束上，从而产生干涉图案。从干涉图案的位置可以推断出球体在激光陷阱内的位置。反过来，该信息用于计算球体必须被推或拉的强度以使其减速。减速本身是由两个电极完成的，

自由空间中的第一个量子控制

“这是第一次使用这种方法来控制自由空间中宏观物体的量子态，”诺沃特尼说。尽管使用光学谐振腔中的球体获得了类似的结果，但 Novotny 的方法具有重要的优势：它不易受干扰，并且如果需要，可以通过关闭激光来完全隔离地检查球体。

当试图实际进行干涉实验时，这种孤立的检查变得特别重要，比如用光波观察到的那些纳米球。这是因为为了看到干涉效应，球体的量​​子力学波需要足够大。实现这一目标的一种方法是在将球体冷却到其运动基态后关闭激光阱，这允许其量子波自由扩展。然后波的不同部分可以通过双缝落下。与分子一样，在这种情况下，物质波的叠加预计会导致特征干涉图。

在传感器中的可能应用

“然而，就目前而言，这只是一个白日梦，”诺沃特尼警告说。尽管如此，他还提到悬停的纳米球不仅对基础研究感兴趣，而且还可以有实际应用。现在已经有传感器可以通过使用干扰原子波来测量最微小的加速度或旋转。随着这种传感器的灵敏度随着量子力学干扰物体质量的增加而增加，纳米球可以极大地改善传感器。

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