在极端真空中被激光捕获的玻璃纳米粒子被认为是探索量子世界极限的一个有希望的平台。自量子理论问世以来，"一个物体在多大程度上开始由量子物理学定律而非经典物理学规则来描述？"这个问题一直没有答案。

Lukas Novotny（苏黎世）、Markus Aspelmeyer（维也纳）、Oriol Romero-Isart（因斯布鲁克）和Romain Quidant（苏黎世）正试图在ERC-Synergy项目Q-Xtreme中回答这一问题。实现这一目标的一个关键步骤是尽可能地减少纳米粒子运动中储存的能量，即把粒子冷却到所谓的量子基态。

对运动的所有维度进行控制
Q-Xtreme团队长期以来一直在共同研究纳米粒子的基态冷却。在苏黎世和维也纳的几次实验中，在Gonzalez-Ballestero博士和因斯布鲁克大学的Romero-Isart教授的理论计算支持下，通过使用电子控制（主动反馈）抑制粒子运动或将粒子置于两个镜子之间（基于空腔的冷却），首次展示了纳米粒子的这种基态冷却。到目前为止，在实验中，只沿粒子运动的三个方向中的一个方向实现了基态，而沿另外两个方向的运动则是 "热的"。

"奥地利科学院量子光学和量子信息研究所和因斯布鲁克大学理论物理系的Gonzalez-Ballestero说："沿着一个以上的方向实现基态冷却是探索新型量子物理学的关键。"但到目前为止，这一成就仍然难以实现，因为要使粒子所在的镜子与沿三个方向中的一些运动有效地相互作用，这是一个挑战。" 所谓的 "暗模效应 "阻止了冷却到完全基态。

以不同的频率来实现目标
现在，苏黎世联邦理工学院光子学实验室的研究首次成功实现了纳米粒子沿两个运动方向的基态冷却。一个比沙粒小约一千倍的玻璃球在高真空中与环境完全隔离，并由一束强聚焦的激光束保持，同时被冷却到接近绝对零度。

基于因斯布鲁克团队的理论预测，瑞士物理学家们能够规避暗态问题。"苏黎世联邦理工学院的Lukas Novotny说："为了做到这一点，我们设计了粒子在两个方向振荡的不同频率，并仔细调整了激光的偏振。

这项发表在《自然-物理学》上的工作表明，有可能达到三个运动方向的最小能量状态。它还允许在两个方向上创建脆弱的量子态，这可用于创建超灵敏的陀螺仪和传感器。

更多信息

Lukas Novotny, Simultaneous ground-state cooling of two mechanical modes of a levitated nanoparticle, Nature Physics (2023). DOI: 10.1038/s41567-023-01956-1. www.nature.com/articles/s41567-023-01956-1