科技日報記者 張佳欣
奧地利維也納大學聯合維也納工業大學和德國烏爾姆大學的研究團隊首次在二維方向上，將一個懸浮納米轉子的轉動冷卻至量子基態，完成了轉動取向的量子極限控制。這一成果被認為是邁向量子精密測量的重要里程碑。相關成果發表于最新一期《自然·物理學》雜志。
在宏觀世界中，微小顆粒總會因熱能不斷抖動和旋轉，而溫度正是這種運動強弱的體現。經典物理認為持續降溫可以讓粒子完全停止運動，但量子力學指出，即使在絕對零度，粒子仍會保留無法消除的最低能量，其取向也必然存在不確定性，這種現象被稱為量子零點漲落。
團隊利用激光在超高真空環境中捕獲二氧化硅納米顆粒，使其成為近乎理想的諧振子。這種顆粒不僅會像鐘擺一樣發生前后振動，還會像扭擺一樣發生角度擺動，相當于同時具備平動和轉動兩種運動模式。當溫度降至僅比絕對零度高萬分之一攝氏度時，其能量不再連續變化，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。
此前，科學家已能把懸浮納米顆粒的平動運動冷卻到量子基態，但轉動控制難度更高，且僅在單一方向實現。這項研究首次在兩個轉動方向上同時實現量子基態冷卻，向轉動自由度的量子控制邁出關鍵一步。
實驗中，團隊使用一種“納米啞鈴”結構作為轉子。該結構由兩個直徑約150納米的二氧化硅小球組成，在激光電場作用下，這個微小轉子就像被一根“看不見的彈簧”固定住方向。隨著冷卻過程推進，轉子溫度降低到僅比絕對零度高幾十微開爾文，最終其轉動能量冷卻至量子基態。在這一狀態下，轉子的取向不確定性僅約20微弧度，已接近量子力學允許的理論極限。
團隊表示，此時轉子末端的運動幅度已小于單個原子直徑的百分之一。這就好比一根指南針的指針，其指向精度已經優于一個細菌的寬度。這一成果為未來開展轉動自由度物質波干涉實驗，以及開發超高靈敏量子力矩傳感器奠定了基礎，有望在基礎物理研究和精密測量領域發揮作用。
