一項由多個歐洲研究機構聯手進行的研究，首次成功將二氧化矽納米轉子困在其量子基態中。這支團隊利用強烈的光來限制納米顆粒的方向，控制在量子零點波動的範圍內，這一成就標誌著在旋轉物質干涉儀和量子扭矩感測方面的重大進展。
在我們的日常世界中，粒子因熱能而不斷顫動和旋轉。隨著溫度升高，這種顫動和旋轉運動會增加；相反，隨著物質冷卻，這種運動則會減少。根據經典物理學，這些粒子的運動可以通過冷卻至絕對零度而完全靜止，但量子力學告訴我們，實際情況並非如此。即使在絕對零度下，粒子仍然保留一些能量，保持在其量子基態的無序狀態。當粒子冷卻至接近絕對零度的溫度時，其能量並不會連續變化，而是以量子化的能量步驟變化，這與其量子基態相連。
維也納大學的研究人員早前曾將懸浮的納米顆粒冷卻至其量子基態，但冷卻旋轉運動一直是個挑戰，迄今僅在一維空間中由蘇黎世聯邦理工學院的研究人員實現。在一系列新的實驗中，維也納大學、維也納科技大學和烏爾姆大學的研究團隊利用激光的電場捕捉了一個納米哑鈴轉子。最初，這個被困的轉子顯示出熱角振盪或擺動，因此研究人員轉向光學冷卻，將溫度降至接近絕對零度。
為了實現這一點，研究人員使用了相干散射技術，將納米顆粒困在強度為 100 MW/cm² 的光強中，並將其散射至光學共振腔。在這個過程中，單個光子將一個量子的機械能量從粒子的旋轉中帶走，進入光學共振腔，從而冷卻納米轉子。通過在兩個軸上進行這一操作，這項研究首次實現了轉子的量子限制對齊，其方向的不確定性僅在 20 微弧度之內。轉子的尖端移動不到單個原子直徑的千分之一，參與研究的斯蒂芬·特羅耶表示，這就像一個指南針針尖的定位精度超過細菌的寬度。
這一系列實驗不僅是實驗室的成就，更為新一代量子技術打開了大門。在每次轉動後，轉子都會以相同的方向結束，這些量子效應在直線運動中無法找到類似的現象。例如，當捕捉光線關閉時，納米轉子可以同時向所有方向旋轉，就像一個方向的疊加。這些旋轉的粒子因此為未來的實驗提供了新的理解和能力，可能導致新一代量子技術的誕生。
特羅耶在新聞稿中強調，我們的二維冷卻方法的美妙之處在於它可以跨越不同的尺度。對於較大的物體來說，冷卻相對容易，但我們希望能將這些技術應用於較小的結構，從而觀察這種旋轉的量子干涉。這是一個有趣的系統，用於探查量子物理與我們日常生活現象之間的界面。冷卻的納米轉子對小扭矩也非常敏感，使其成為量子扭矩感測的理想選擇，這也是量子技術中新興的領域。
這項研究的結果已發表在《自然物理學》期刊上。
