當一個粒子完全脫離它的環境時，量子物理定律就開始起着至關重要的作用。要看到量子效應，一個重要的要求是把粒子運動中的所有熱能去除，也就是說，把它冷卻到儘可能接近絕對零度的溫度。維也納大學(University of Vienna)、奧地利科學院(Austrian Academy of Sciences)和麻省理工學院(MIT)的研究人員現在通過展示一種冷卻懸浮納米粒子的新方法，離實現這一目標又近了一步，其研究結果發表在著名的《物理評論快報》上。緊密聚焦的激光束可以充當光學“鑷子”，捕捉和操縱微小物體，從玻璃粒子到活細胞。

博科園-科學科普：這種方法的發展使阿瑟·阿什金獲得了去年諾貝爾物理學獎。雖然迄今爲止大多數實驗都是在空氣或液體中進行，但人們對使用光學鑷子在超高真空中捕捉物體的興趣越來越大：這種孤立的粒子不僅表現出前所未有的傳感性能，而且還可以用於研究納米尺度熱機的基本過程，或涉及大質量的量子現象。在這些研究工作中，一個關鍵因素是獲得對粒子運動的完全控制，在量子物理定律支配其行爲的理想狀態下。之前的嘗試，要麼調整光鑷本身，要麼將粒子浸入高反射鏡結構之間的額外光場中，即光學腔。然而，激光噪聲和較大的激光強度要求對這些方法構成了很大限制。

緊密聚焦的激光場將納米粒子困在兩個高反射鏡之間，即光學腔。沿光學諧振腔的優先散射可以誘導納米粒子向三個方向運動的冷卻。圖片：Aspelmeyer group/University of Vienna

維也納大學、奧地利科學院和麻省理工學院(MIT)的研究人員最近在《物理評論快報》(Physical Review Letters)上發表了一項研究，該研究的主要作者烏羅斯?德里克(Uros Delic)表示：新冷卻方案直接借鑑了原子物理學領域，那裏存在着量子控制方面的類似挑戰。這一想法可以追溯到因斯布魯克物理學家赫爾穆特?裏施(Helmut Ritsch)以及美國物理學家弗拉丹?烏爾蒂奇(Vladan Vuletic)和史蒂夫?楚(Steve Chu)的早期研究。他們發現，如果粒子被保存在一個最初是空的光學腔內，利用光鑷本身直接散射的光就足夠了。光鑷中的納米粒子將光鑷的一小部分向幾乎所有方向散射。

如果粒子被放置在光學腔內，部分散射光可以存儲在其反射鏡之間。因此，光子被優先地散射到光腔中。然而，這隻可能是特定顏色的光，或者換句話說，特定光子能量。如果我們使用一種顏色的鑷子光，它對應光子能量比所需的稍小，納米粒子將“犧牲”一些動能，使光子散射到光學腔中。動能的損失有效地冷卻了它的運動。這項研究的合著者之一弗拉丹·武爾提克(Vladan Vuletic)以前曾對原子演示過這種方法。然而，這是它第一次被應用到納米粒子上，並用於冷卻所有三個方向的運動。冷卻方法比之前演示的所有方案都要強大得多，如果不受激光噪聲和激光功率的限制，懸浮納米粒子的量子行爲將很快出現。

博科園-科學科普｜研究/來自: 維也納大學

參考期刊文獻:《物理評論快報》

DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.123602

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