物质被量子化的宏观量子态

　　科学家使用激光将玻璃纳米颗粒悬浮并冷却到量子区域，虽然它被困在室温环境中，但粒子的运动完全受量子物理定律支配。来自维也纳大学、奥地利科学院和麻省理工学院（MIT）的科学家团队在《科学》期刊上发表了其该新研究成果。众所周知，单个原子的量子性质可以用激光来控制和操纵。即使是由数亿个原子组成的大原子云也可以被推入量子区域，从而产生物质的宏观量子态。
　　如量子气体或玻色-爱因斯坦凝聚体，这些物质今天也被广泛用于量子技术。令人兴奋的下一步是：将这种级别的量子控制扩展到固态物体。与原子云相比，固体的密度要高出十亿倍，所有原子都会沿着物体的质心一起运动。然而，进入这个新量子区域并不是一件简单的事情，实现这种量子控制的第一步是：将被研究物体与环境的影响隔离，并移除所有热能，通过将其冷却到非常接近绝对零度（-273.15摄氏度）的温度，以便量子力学主导粒子的运动。
　　为了证明这一点，研究人员选择用比一粒沙子小约1000倍、包含数亿个原子的玻璃纳米颗粒进行实验。与环境的隔离是通过在高真空中，将粒子光学捕获在紧密聚焦的激光束中实现，这一技巧最初是由诺贝尔奖获得者阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)在几十年前提出，也被用于隔离原子。维也纳大学的主要作者乌罗斯·德利奇(Uros Delic)表示：真正的挑战是将粒子运动冷却到量子基态。
　　通过原子跃迁进行激光冷却是公认的，对原子来说是一个自然选择，但它对固体不起作用。出于这个原因，该研究团队一直致力于实施一种激光冷却方法。该方法由因斯布鲁克大学的奥地利物理学家赫尔穆特·里奇(Helmut Ritsch)提出，并由研究合著者弗拉丹·武利蒂奇（Vladan Vultic）和诺贝尔奖获得者朱(Steven Chu)独立提出。现在研究团队宣布了原理的第一个演示，通过相干散射来冷却空腔。
　　然而，他们仍然被限制在远离量子区域的地方工作。研究团队已经升级了实验，现在不仅可以去除更多的背景气体，还可以发送更多的光子进行冷却。这样，玻璃纳米颗粒的运动可以直接冷却到量子区域。想想看很有趣：玻璃纳米颗粒表面非常热，在300摄氏度左右，因为激光加热了材料中的电子，但粒子质心的运动是超冷的，距离绝对零度在0.00001摄氏度左右，可以证明热粒子以量子方式运动。
　　研究人员对研究的前景表示感到兴奋，与维也纳大学的团队一起，世界各地的其他研究小组也对固体量子运动进行了研究。到目前为止，实验系统由纳米和微机械谐振器组成，本质上是固定在刚性支撑结构上的鼓或跳板。维也纳大学的合著者兼助理教授尼古拉·基塞尔(Nikolai Kiseel)说：激光悬浮带来了更多的自由：通过改变光学陷阱，甚至关闭它，研究可以用全新的方式操纵纳米粒子运动。
　　在奥地利科学院物理学家Oriol Romero-Isart和因斯布鲁克的Peter Zoller已经提出了几个沿着这些路线的方案，现在可能成为可能了。例如，与新获得的运动基态相结合，研究人员预计这将为前所未有的传感性能、量子热机基本过程的研究，以及涉及大质量量子现象的研究打开新机会。十年前在一种新的量子实验前景推动下开始了这项实验，现在科学家们终于打开了通往这一定律的大门。
　　博科园｜研究/来自：维也纳大学
　　参考期刊《科学》
　　DOI: 10.1126/science.aba3993
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