科学家可以利用激光控制和操纵单个原子的量子特性，甚至能同时让数以亿计的原子冷却进入量子状态，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。近年来，这些快速发展在量子技术中得到了广泛应用。令人激动的下一步就是将量子控制技术应用到固态物体。最近，奥地利维也纳大学的科学家在《科学》杂志上发表了他们的实验结果—利用相干散射空腔冷却方法，使常温的玻璃珠具有宏观的低温量子行为[1, 2]。
固体的原子密度是冷原子系统的数十亿倍。同时固体中的原子束缚在一起随质心运动。那么，将原有的针对原子的制冷方法直接应用在固态颗粒上能否成功呢？要实现量子控制，就要把研究对象从周围环境的影响中隔离出来，尽可能去除热运动，将其冷却到接近绝对零度，使量子力学主导颗粒的运动。
奥地利的研究人员选择了一颗比普通沙粒还要小大约一千倍、内含有几亿原子的玻璃珠进行实验。隔离环境的方法是在高真空条件下将珠子捕获在一束高度聚焦的激光束中，这种方法最初是由诺贝尔奖得主Arthur Ashkin在几十年前提出的。文章的第一作者Uros Delic介绍说，真正的挑战是如何把珠子的运动冷却到量子基态。虽然借由原子跃迁的激光致冷技术是一种成熟的方法，但它并不适用于固体颗粒。
高度聚焦的激光场在两个高度反射的镜子（即光学腔）之间捕获一个纳米颗粒 | 图片来源：Aspelmeyer group, University of Vienna
研究小组改进了他们的激光冷却方法—“通过相干散射的空腔冷却”。该方法最初是由奥地利因斯布鲁克大学的物理学家Helmut Ritsch提出, 同时Vladan Vuletic和诺贝尔奖得主朱棣文也对此方法进行了独立的研究。
研究人员升级了实验，现在不仅可以去除更多的背景气体，同时还可以加入更多的光子来冷却。这样，玻璃珠的运动可以直接冷却到量子态。这个过程十分有趣：因为激光会加热材料中的电子，玻璃珠表面非常热，大约有300°C。但是珠子的质心运动却是超冷的，仅为绝对零度以上0.00001°C，可以证明热粒子的运动是量子化的。
固体的量子运动也被世界各地的其他小组研究过[3, 4]，一般实验系统是由纳米和微机械谐振器组成的。维也纳大学助理教授、论文合著者Nikolai Kiesel表示，“光学悬浮带来了更多的可能: 通过改变光阱，我们可以用一种全新的方式操纵纳米颗粒的运动。” 物理学家也提出了一些更进一步的方案，例如结合所实现的运动基态，期望为传感性能、量子态下热机基本过程的研究，以及大质量粒子的量子现象的研究开辟新的机会。
[2] Delić U, Reisenbauer M, Dare K, et al. Cooling of a levitated nanoparticle to the motional quantum ground state[J]. Science, 2020.
[4] Vuletić V, Chu S. Laser cooling of atoms, ions, or molecules by coherent scattering[J]. Physical Review Letters, 2000, 84(17): 3787.
发表于 2020-2-9 00:40
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