纳米转子转动完成二维量子极限控制

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

二维纳米转子首次冷却至量子基态

在宏观世界里，微小的颗粒总是“闲不住”，由于热能的驱动，它们会不停地振动和旋转。想要让它停下来？最直接的想法就是降温。但这事儿到了量子尺度，可就没那么简单了。经典物理认为持续冷却能让粒子最终静止，但量子力学却告诉我们一个反直觉的事实：即便在逼近绝对零度的极致低温下，粒子依然会保留一份无法被剥夺的“最低能量”，其空间取向也必然存在固有的不确定性。这种现象，便是著名的量子零点涨落。

从平动到转动：量子冷却的新里程碑

最近，一个由奥地利维也纳大学、维也纳工业大学及德国乌尔姆大学组成的联合研究团队，取得了一项突破。他们首次在二维方向上，将一个悬浮的纳米转子的转动冷却至量子基态，实现了对其转动取向的量子极限控制。这项成果被视为迈向下一代量子精密测量的重要一步，相关论文已发表于《自然·物理学》。

实验的核心，是利用激光在超高真空中捕获一个二氧化硅纳米颗粒，将其塑造为一个近乎理想的谐振子。这个微小的颗粒不仅能像钟摆一样前后振动（平动），还能像扭摆一样左右摆动（转动）。当环境温度被冷却到仅比绝对零度高万分之一摄氏度时，它的能量变化不再是连续的，而只能在离散的量子能级间“跳跃”。其中，那个最低的能级，就是所谓的量子基态。

实际上，将悬浮纳米颗粒的平动运动冷却到量子基态，已是科学家们早已攻克的堡垒。但转动控制的难度更高，此前也仅在单一方向有所实现。这次研究的突破性在于，他们首次在两个转动维度上同时实现了量子基态冷却，这无疑是为全面操控转动自由度打开了新的大门。

“纳米哑铃”与看不见的弹簧

那么，他们是怎么做到的呢？团队巧妙地设计了一个“纳米哑铃”结构作为实验中的转子。这个转子由两个直径大约150纳米的二氧化硅小球连接而成。在精心调控的激光电场作用下，这个微小的哑铃仿佛被一根“看不见的弹簧”牢牢固定住了方向。

随着冷却过程的不断推进，转子的温度一路骤降，最终达到了仅比绝对零度高几十微开尔文的极低温。此时，它的转动能量已被成功冷却至量子基态。处于这一状态下的转子，其取向的不确定性被压制到了约20微弧度量级，这已经非常接近量子力学原理所允许的理论极限了。

意义与未来：从基础科学到精密测量

这个精度有多高？打个比方，这就好比一根指南针的指针，其指向的偏差已经比一个细菌的宽度还要小。或者说，此时转子末端的摆动幅度，已经小于单个原子直径的百分之一。

这项成就的意义远不止于打破一项纪录。它为未来开展基于转动自由度的物质波干涉实验铺平了道路，也为开发超高灵敏度的量子力矩传感器奠定了基石。可以预见，这些前沿工具将在探索基础物理定律（如检验量子引力效应）和实现下一代革命性精密测量（如探测极弱扭矩或磁场）方面，发挥至关重要的作用。量子控制的疆域，正在从平动向转动稳步扩展。