量子物理的規則在原子和分子之外，尤其是面對較大物體和高溫環境時，幾乎總是無法適用。這是因為隨著物體的增大和溫度的升高，阻止其與周圍環境互動變得越來越困難，而這種互動通常會消除微妙的量子行為。不過，最近的一項研究突破了這一極限，顯示出一個微小的玻璃球，雖然仍然比沙粒小上千倍，但在量子標準下卻可以將其旋轉運動冷卻至接近量子物理所允許的最安靜狀態，達到約92%的純度，即使該粒子本身的溫度卻高達數百度。這是科學家首次在不將整個物體冷卻至接近絕對零度的情況下，達到如此純粹的量子狀態，這為曾經被認為只能在深冷實驗室中進行的實驗打開了新的大門。
這項研究的作者指出，「我們的室溫實驗達到的純度超過了在低溫環境中機械夾持振盪器所提供的性能，為室溫下高純度量子光機械建立了一個平台。」通常，為了在一個大於分子的物體中觀察到量子行為，研究人員必須採取極端措施：將粒子懸浮在真空中以屏蔽外部干擾，並將其周圍環境冷卻至接近-273.15°C，以使其運動變得符合量子規則。然而，即使在這種情況下，這也並非易事。因為在量子世界中，運動是量子化的，只能以特定的單位發生，這些單位被稱為振動量子。存在著最低能量模式，稱為基態，以及具有稍高能量的第一激發態，依此類推。儘管粒子可以存在於這些狀態的混合中，但實現大粒子的基態一直是一個重要的里程碑目標。直到現在，這需要將一切冷卻至極低的溫度。
這項研究的作者採取了一條巧妙的捷徑。他們並不試圖冷卻粒子的整個內部能量（這相對於其運動能量而言是龐大的），而是針對一個特定的運動進行調控：即其旋轉運動。研究人員使用了一種形狀並非完美球體的納米粒子，而是一種略為拉伸的橢圓形。當被困在電磁場中時，這種粒子自然會圍繞固定的對齊旋轉，就像指南針的針在北方附近搖擺一樣。通過精確控制激光光束和鏡子系統，形成一個高品質的光學腔，研究團隊能夠影響這種搖擺。這裡的關鍵在於激光可以向旋轉輸入能量或將能量移除。通過小心調整鏡子，確保能量移除的可能性遠高於能量添加，科學家們幾乎耗盡了所有的旋轉能量。在這一過程中，他們還必須考慮並控制來自激光的量子噪聲，這些隨機波動如果不加以控制，可能會破壞這一精妙的過程。最終，這導致旋轉運動凍結在一個極接近量子基態的狀態，僅有0.04個量子的殘餘能量，並且約92%的量子純度，儘管粒子的內部溫度仍然保持在幾百度的水平。
這一結果突破了量子研究中的一個長期障礙，顯示出在研究量子特性時不必將整個物體冷卻至極低溫度。相反，通過分別處理不同類型的運動，例如旋轉，可以選擇性地將系統的某些部分引入量子範疇，而其他部分則保持高溫和混亂。這一方法可能使得探索量子效應在更大、更複雜的系統中變得更加容易，從生物結構到工程設備，而無需龐大的低溫設置。然而，這項工作僅集中在一種特定的運動上，且是在精心選擇的納米粒子中進行。因此，目前尚未成為適用於所有大型物體的通用方法。未來的研究可能將探索相同原理是否可以控制其他運動，或在不同形狀和材料中發揮作用。該研究已發表於《Nature Physics》期刊上。
