蘇黎世聯(lián)邦理工學院的研究人員使用激光捕獲了一個 100 納米的小球體，并將其運動減慢到最低的量子力學狀態(tài)。這項技術可以幫助研究人員研究宏觀物體中的量子效應并構建極其靈敏的傳感器。

根據(jù)量子物理學，為什么原子或基本粒子可以像波一樣表現(xiàn)，允許它們同時在幾個地方?為什么我們在我們周圍看到的一切顯然都遵循經(jīng)典物理定律，而這種現(xiàn)象是不可能的?近年來，研究人員已經(jīng)誘使越來越大的物體具有量子力學行為。這樣做的一個后果是，當這些物體通過雙縫時，會形成一種具有波特征的干涉圖樣。

到目前為止，這可以通過由幾千個原子組成的分子來實現(xiàn)。然而，物理學家希望有一天能夠用適當?shù)暮暧^物體觀察到這種量子效應。蘇黎世聯(lián)邦理工學院信息技術和電氣工程系的光子學教授 Lukas Novotny 和他的合作者現(xiàn)在朝著這個方向邁出了關鍵的一步。他們的結果最近發(fā)表在科學雜志《自然》上。

懸浮納米球

諾沃特尼實驗室的宏觀物體是一個由玻璃制成的小球體。雖然它的直徑只有一百納米，但它由多達一千萬個原子組成。使用緊密聚焦的激光束，使球體懸停在真空容器內(nèi)的光阱中，該真空容器冷卻到零以下 269 度。溫度越低，熱運動越小。

“然而，為了清楚地看到量子效應，納米球需要進一步減速，一直到其運動基態(tài)，”Novotny 實驗室的博士后 Felix Tebbenjohanns 解釋說。球體的振蕩及其動能被減少到量子力學不確定關系禁止進一步減少的程度。“這意味著我們將球體的運動能量凍結到接近量子力學零點運動的最小值，”Tebbenjohanns 說。

測量和減速

為了實現(xiàn)這一目標，研究人員使用了一種眾所周知的減慢操場秋千的方法：根據(jù)秋千發(fā)生的位置，在正確的方向上適當?shù)赝苹蚶?。揮桿時，好好看看并采取相應的行動就會成功。然而，在納米球的情況下，需要更精確的測量。該測量包括將球體反射的光疊加到另一束激光束上，從而產(chǎn)生干涉圖案。從干涉圖案的位置可以推斷出球體在激光陷阱內(nèi)的位置。反過來，該信息用于計算球體必須被推或拉的強度以使其減速。減速本身是由兩個電極完成的，

自由空間中的第一個量子控制

“這是第一次使用這種方法來控制自由空間中宏觀物體的量子態(tài)，”諾沃特尼說。盡管使用光學諧振腔中的球體獲得了類似的結果，但 Novotny 的方法具有重要的優(yōu)勢：它不易受干擾，并且如果需要，可以通過關閉激光來完全隔離地檢查球體。

當試圖實際進行干涉實驗時，這種孤立的檢查變得特別重要，比如用光波觀察到的那些納米球。這是因為為了看到干涉效應，球體的量??子力學波需要足夠大。實現(xiàn)這一目標的一種方法是在將球體冷卻到其運動基態(tài)后關閉激光阱，這允許其量子波自由擴展。然后波的不同部分可以通過雙縫落下。與分子一樣，在這種情況下，物質(zhì)波的疊加預計會導致特征干涉圖。

在傳感器中的可能應用

“然而，就目前而言，這只是一個白日夢，”諾沃特尼警告說。盡管如此，他還提到懸停的納米球不僅對基礎研究感興趣，而且還可以有實際應用?，F(xiàn)在已經(jīng)有傳感器可以通過使用干擾原子波來測量最微小的加速度或旋轉。隨著這種傳感器的靈敏度隨著量子力學干擾物體質(zhì)量的增加而增加，納米球可以極大地改善傳感器。

標簽： 玻璃納米球