科技日報(bào)記者 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，微小顆粒總會(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，即使在絕對零度，粒子仍會(huì)保留無法消除的最低能量，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)溫度降至僅比絕對零度高萬分之一攝氏度時(shí)，其能量不再連續(xù)變化，而只能在離散量子能級間躍遷，其中最低能級就是量子基態(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，在激光電場作用下，這個(gè)微小轉(zhuǎn)子就像被一根“看不見的彈簧”固定住方向。隨著冷卻過程推進(jìn)，轉(zhuǎn)子溫度降低到僅比絕對零度高幾十微開爾文，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)子的取向不確定性僅約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。這一成果為未來開展轉(zhuǎn)動(dòng)自由度物質(zhì)波干涉實(shí)驗(yàn)，以及開發(fā)超高靈敏量子力矩傳感器奠定了基礎(chǔ)，有望在基礎(chǔ)物理研究和精密測量領(lǐng)域發(fā)揮作用。