科學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，但粒子的運動完全受量子物理定律支配。來自維也納大學、奧地利科學院和麻省理工學院（MIT）的科學家團隊在《科學》期刊上發(fā)表了其該新研究成果。

眾所周知，單個原子的量子性質(zhì)可以用激光來控制和操縱。即使是由數(shù)億個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：將這種級別的量子控制擴展到固態(tài)物體。與原子云相比，固體的密度要高出十億倍，所有原子都會沿著物體的質(zhì)心一起運動。然而，進入這個新量子區(qū)域并不是一件簡單的事情，實現(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，通過將其冷卻到非常接近絕對零度（-273.15攝氏度）的溫度，以便量子力學主導粒子的運動。

為了證明這一點，研究人員選擇用比一粒沙子小約1000倍、包含數(shù)億個原子的玻璃納米顆粒進行實驗。與環(huán)境的隔離是通過在高真空中，將粒子光學捕獲在緊密聚焦的激光束中實現(xiàn)，這一技巧最初是由諾貝爾獎獲得者阿瑟·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)是將粒子運動冷卻到量子基態(tài)。

通過原子躍遷進行激光冷卻是公認的，對原子來說是一個自然選擇，但它對固體不起作用。出于這個原因，該研究團隊一直致力于實施一種激光冷卻方法。該方法由因斯布魯克大學的奧地利物理學家赫爾穆特·里奇(Helmut Ritsch)提出，并由研究合著者弗拉丹·武利蒂奇（Vladan Vultic）和諾貝爾獎獲得者朱(Steven Chu)獨立提出?，F(xiàn)在研究團隊宣布了原理的第一個演示，通過相干散射來冷卻空腔。

然而，他們?nèi)匀槐幌拗圃谶h離量子區(qū)域的地方工作。研究團隊已經(jīng)升級了實驗，現(xiàn)在不僅可以去除更多的背景氣體，還可以發(fā)送更多的光子進行冷卻。這樣，玻璃納米顆粒的運動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，因為激光加熱了材料中的電子，但粒子質(zhì)心的運動是超冷的，距離絕對零度在0.00001攝氏度左右，可以證明熱粒子以量子方式運動。

研究人員對研究的前景表示感到興奮，與維也納大學的團隊一起，世界各地的其他研究小組也對固體量子運動進行了研究。到目前為止，實驗系統(tǒng)由納米和微機械諧振器組成，本質(zhì)上是固定在剛性支撐結(jié)構(gòu)上的鼓或跳板。維也納大學的合著者兼助理教授尼古拉·基塞爾(Nikolai Kiseel)說：激光懸浮帶來了更多的自由：通過改變光學陷阱，甚至關閉它，研究可以用全新的方式操縱納米粒子運動。

在奧地利科學院物理學家Oriol Romero-Isart和因斯布魯克的Peter Zoller已經(jīng)提出了幾個沿著這些路線的方案，現(xiàn)在可能成為可能了。例如，與新獲得的運動基態(tài)相結(jié)合，研究人員預計這將為前所未有的傳感性能、量子熱機基本過程的研究，以及涉及大質(zhì)量量子現(xiàn)象的研究打開新機會。十年前在一種新的量子實驗前景推動下開始了這項實驗，現(xiàn)在科學家們終于打開了通往這一定律的大門。

博科園｜研究/來自：維也納大學

參考期刊《科學》

DOI: 10.1126/science.aba3993

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