当一个粒子完全脱离它的环境时，量子物理定律就开始起着至关重要的作用。要看到量子效应，一个重要的要求是把粒子运动中的所有热能去除，也就是说，把它冷却到尽可能接近绝对零度的温度。维也纳大学(University of Vienna)、奥地利科学院(Austrian Academy of Sciences)和麻省理工学院(MIT)的研究人员现在通过展示一种冷却悬浮纳米粒子的新方法，离实现这一目标又近了一步，其研究结果发表在著名的《物理评论快报》上。紧密聚焦的激光束可以充当光学“镊子”，捕捉和操纵微小物体，从玻璃粒子到活细胞。
博科园-科学科普：这种方法的发展使阿瑟·阿什金获得了去年诺贝尔物理学奖。虽然迄今为止大多数实验都是在空气或液体中进行，但人们对使用光学镊子在超高真空中捕捉物体的兴趣越来越大：这种孤立的粒子不仅表现出前所未有的传感性能，而且还可以用于研究纳米尺度热机的基本过程，或涉及大质量的量子现象。在这些研究工作中，一个关键因素是获得对粒子运动的完全控制，在量子物理定律支配其行为的理想状态下。之前的尝试，要么调整光镊本身，要么将粒子浸入高反射镜结构之间的额外光场中，即光学腔。然而，激光噪声和较大的激光强度要求对这些方法构成了很大限制。
紧密聚焦的激光场将纳米粒子困在两个高反射镜之间，即光学腔。沿光学谐振腔的优先散射可以诱导纳米粒子向三个方向运动的冷却。图片：Aspelmeyer group/University of Vienna
维也纳大学、奥地利科学院和麻省理工学院(MIT)的研究人员最近在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表了一项研究，该研究的主要作者乌罗斯·德里克(Uros Delic)表示：新冷却方案直接借鉴了原子物理学领域，那里存在着量子控制方面的类似挑战。这一想法可以追溯到因斯布鲁克物理学家赫尔穆特·里施(Helmut Ritsch)以及美国物理学家弗拉丹·乌尔蒂奇(Vladan Vuletic)和史蒂夫·楚(Steve Chu)的早期研究。他们发现，如果粒子被保存在一个最初是空的光学腔内，利用光镊本身直接散射的光就足够了。光镊中的纳米粒子将光镊的一小部分向几乎所有方向散射。
如果粒子被放置在光学腔内，部分散射光可以存储在其反射镜之间。因此，光子被优先地散射到光腔中。然而，这只可能是特定颜色的光，或者换句话说，特定光子能量。如果我们使用一种颜色的镊子光，它对应光子能量比所需的稍小，纳米粒子将“牺牲”一些动能，使光子散射到光学腔中。动能的损失有效地冷却了它的运动。这项研究的合著者之一弗拉丹·武尔提克(Vladan Vuletic)以前曾对原子演示过这种方法。然而，这是它第一次被应用到纳米粒子上，并用于冷却所有三个方向的运动。冷却方法比之前演示的所有方案都要强大得多，如果不受激光噪声和激光功率的限制，悬浮纳米粒子的量子行为将很快出现。
博科园-科学科普｜研究/来自: 维也纳大学
参考期刊文献:《物理评论快报》
DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.123602
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