固体量子-量子态中的玻璃纳米颗粒

时间:2020-02-08 19:37 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

固体量子-量子态中的玻璃纳米颗粒

奥地利的研究人员已经使用激光将玻璃纳米颗粒悬浮并冷却到量子状态。虽然粒子被困在室温环境中,但它的运动完全受量子物理定律控制。来自维也纳大学、奥地利科学院和麻省理工学院的科学家们在《科学》杂志上发表了他们的新研究。

众所周知,单个原子的量子特性可以用激光来控制和操纵。即使是由数亿个原子组成的大型云也可以被推入量子体系,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,这些物质如今也被广泛应用于量子技术中。激动人心的下一步是将量子控制扩展到固态物体。与原子云相比,固体的密度要高10亿倍,所有原子都必须沿着物体的质心一起运动。

然而,进入这个新体制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的对象与环境的影响隔离开来,并通过将其冷却到非常接近绝对零度(-273.15摄氏度)的温度来消除所有热能,使量子力学支配粒子的运动。为了证明这一点,研究人员选择了一个比一粒沙子小1000倍的玻璃珠来做实验,它包含了几亿个原子。隔离环境的方法是在高真空条件下将粒子捕获在一束高度聚焦的激光束中,这一方法最初是由诺贝尔奖得主阿瑟·阿什金(Arthur Ashkin)在几十年前提出的,也用于隔离原子。“真正的挑战是将粒子运动冷却到它的量子基态。通过原子跃迁进行激光冷却是公认的,也是原子的一种自然选择,但它不适用于固体,”维也纳大学的首席作者Uros Delic说。

由于这个原因,研究小组一直致力于实现一种激光冷却方法,该方法是由奥地利因斯布鲁克大学的物理学家赫尔穆特·里施和研究报告的合著者弗拉丹·武勒提克和诺贝尔奖得主朱棣文分别提出的。他们最近宣布了工作原理的第一次演示,相干散射空腔冷却;然而,它们仍然被限制在远离量子体系的地方运行。

“我们已经升级了我们的实验,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来冷却,”Delic说。这样,玻璃珠的运动可以直接冷却到量子态。“想到这个很有趣:我们的玻璃珠表面非常热,大约300摄氏度,因为激光加热了材料中的电子。但是粒子质心的运动是超冷的,距离绝对零度只有0.00001摄氏度,我们可以证明热粒子的运动是量子化的。”

固体量子-量子态中的玻璃纳米颗粒

研究人员对他们的工作前景感到兴奋。固体的量子运动也被世界各地的其他小组研究过,包括维也纳小组。到目前为止,实验系统由纳米和微机械谐振器组成——本质上是鼓或跳水板,它们被夹在刚性支撑结构上。“光学悬浮带来了更多的自由:通过改变光学陷阱——甚至关闭它——我们可以用一种全新的方式操纵纳米颗粒的运动,”维也纳大学的助理教授、论文的合著者Nikolai Kiesel说。

在奥地利物理学家Oriol Romero-Isart和因斯布鲁克的Peter Zoller等人已经提出了一些类似的方案,现在可能成为可能。例如,结合新实现的运动基态,作者期望这将为前所未有的传感性能、量子态下热机基本过程的研究以及大质量量子现象的研究开辟新的机会。“十年前,我们开始了这个实验,动机是一种新型量子实验的前景。我们终于为这个政权打开了大门。”

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