纳米粒子沿两个运动方向的基态冷却

在极端真空中被激光捕获的玻璃纳米颗粒被认为是探索量子世界极限的有前途的平台。自从量子理论出现以来，“一个物体在多大的大小开始被量子物理学定律而不是经典物理学的规则描述?”这个问题一直没有答案。

Lukas Novotny(苏黎世)，Markus Aspelmeyer(维也纳)，Oriol Romero-Isart(因斯布鲁克)和Romain Quidant(苏黎世)试图在ERC-Synergy项目Q-Xtreme中准确回答这个问题。实现这一目标的关键一步是尽可能减少纳米粒子运动中储存的能量，即将粒子冷却到所谓的量子基态。

控制所有运动维度

Q-Xtreme团队长期以来一直在纳米粒子的基态冷却方面进行合作。在苏黎世和维也纳进行的几项实验，得到了因斯布鲁克大学的Gonzalez-Ballestero博士和Romero-Isart教授的理论计算的支持，已经首次证明了纳米颗粒的这种基态冷却，通过使用电子控制(主动反馈)或将颗粒放置在两个镜子之间(基于腔的冷却)。到目前为止，在实验中，基态仅沿粒子运动的三个方向中的一个实现，使沿其他两个方向的运动“热”。

“沿多个方向实现基态冷却是探索新型量子物理学的关键，”奥地利科学院量子光学和量子信息研究所和因斯布鲁克大学理论物理系的Gonzalez-Ballestero说。“但到目前为止，这一成就仍然难以捉摸，因为要使粒子所在的镜子与沿三个方向中的某些方向的运动有效相互作用具有挑战性。所谓的“暗模式效应”阻止冷却到完全基态。

以不同的频率实现目标

现在，苏黎世联邦理工学院光子学实验室的研究首次成功地沿两个运动方向对纳米粒子进行基态冷却。一个比一粒沙子小一千倍的玻璃球在高真空中与环境完全隔离，并由强聚焦的激光束保持，同时被冷却到接近绝对零度。

根据因斯布鲁克团队的理论预测，瑞士物理学家能够绕过暗态问题。“为此，我们设计了粒子在两个方向上振荡的频率，并仔细调整了激光的偏振，”苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny说。

这项工作发表在《自然物理学》上，表明有可能达到三个运动方向的最小能量状态。它还允许在两个方向上创建脆弱的量子态，可用于创建超灵敏陀螺仪和传感器。

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