固体量子–新的宏观量子态

来自维也纳，Kahan Dare（左）和Manuel Reisenbauer（右）的科学家致力于将悬浮的纳米粒子冷却到其运动量子基态的实验。

众所周知，单个原子的量子性质可以通过激光来控制和操纵。甚至数亿个原子的大云都可以推入量子体系，从而产生物质的宏观量子态，例如量子气体或玻色-爱因斯坦凝聚物，如今它们也广泛用于量子技术中。激动人心的下一步是将这一级别的量子控制扩展到固态物体。与原子云相比，固体的密度高十亿倍，所有原子都必须沿着物体的质心一起移动。这样，涉及大质量的新的宏观量子态应该成为可能。

但是，进入这一新政权根本不是一件容易的事。实现这种量子控制的第一步是将被研究物体与环境影响隔离，并消除所有热能，方法是将其冷却到非常接近绝对零（-273.15 C）的温度，从而使°量子力学控制粒子的热能。运动。为了证明这一点，研究人员选择了用比典型的沙粒小约1000倍且含有几亿个原子的玻璃珠进行实验。隔离环境是通过在高真空下将粒子光学捕获在紧密聚焦的激光束中来实现的，这一技巧最初是由诺贝尔奖获得者亚瑟·阿什金（Arthur Ashkin）于数十年前提出的，并且还用于隔离原子。“真正的挑战是我们将粒子运动冷却到其量子基态。通过原子跃迁进行的激光冷却已经确立，是原子的自然选择，但不适用于固体。”维也纳大学的主要作者乌罗斯·德里克（Uros Delic）说。

因此，研究小组一直在努力实施由奥地利物理学家赫尔穆特·里奇（Innterbruck University）提出的激光冷却方法，该方法由研究合著者弗拉丹·弗莱蒂奇（Vladan Vuletic）和诺贝尔奖获得者史蒂文·朱（Steven Chu）独立提出。他们最近宣布了工作原理的第一个证明，即“通过相干散射进行的腔冷却”，但是他们仍然仅限于远离量子体系进行操作。“我们已经升级了实验，现在不仅可以去除更多的背景气体，而且还可以发送更多的光子进行冷却，” Delic说。这样，玻璃珠的运动可以直接冷却到量子状态。“考虑到这一点很有趣：我们的玻璃珠表面非常热，大约在300C左°右，因为激光会加热材料中的电子。但是，粒子质心的运动是超冷的，距离绝对°零值大约为0.00001C，我们可以证明热粒子以量子方式运动。”

研究人员对他们的工作前景感到兴奋。固体的量子运动也已经与维也纳团队一起被世界各地的其他研究小组进行了研究。到目前为止，实验系统由纳米机械谐振器和微机械谐振器组成，实质上是由固定在刚性支撑结构上的鼓形或平板形。维也纳大学的合著者兼助理教授尼古拉·凯塞尔（Nikolai Kiesel）说：“光学悬浮带来了更多的自由：通过改变光阱-甚至关掉它，我们可以以全新的方式操纵纳米粒子的运动。”奥地利物理学家Oriol Romero-Isart和因斯布鲁克的Peter Zoller提出了一些遵循这些思路的方案，并且现在可能成为可能。例如，结合新获得的运动基态，作者希望这为前所未有的传感性能，量子态热机基本过程的研究以及涉及大质量的量子现象的研究提供了新的机会。“十年前，我们受新型量子实验前景的启发而开始了这项实验。我们终于为这一政权打开了大门。”

参考：UrošDelić，Manuel Reisenbauer，Kahan Dare，David Grass，VladanVuletić，Nikolai Kiesel和Markus Aspelmeyer撰写的“将悬浮的纳米粒子冷却到运动量子基态”，2020年1月30日，科学。DOI：
10.1126 / science.aba3993