奧地利維也納大學(xué)的Uros Delic和德國(guó)杜伊斯堡—埃森大學(xué)的Benjamin A. Stickler領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)把微小的玻璃球懸浮在真空中，使它們?cè)诮嚯x內(nèi)相互作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“懸浮”納米粒子的精確操縱，從而開(kāi)創(chuàng)了探索日常世界和與直覺(jué)相矛盾的量子物理學(xué)之間神秘模糊地帶的新方法。相關(guān)研究結(jié)果近日發(fā)表于《科學(xué)》。

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院物理學(xué)家Romain Quidant認(rèn)為，這無(wú)疑是個(gè)重要里程碑，為相關(guān)研究帶來(lái)了新機(jī)遇。懸浮粒子有朝一日可能成為量子計(jì)算的平臺(tái)，或?yàn)榫莒`敏的測(cè)量設(shè)備鋪平道路。

研究團(tuán)隊(duì)第一次嘗試了多重懸浮粒子。他們將激光從真空室內(nèi)的液晶面板上反射回來(lái)，將光束一分為二。然后使用超聲波霧化器將200納米寬的玻璃球注入腔室，直到納米球被捕獲在兩條激光束的焦點(diǎn)上。

這種“光懸浮”技術(shù)之所以能實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す怆妶?chǎng)的快速振蕩會(huì)導(dǎo)致電荷在每個(gè)納米球的兩端以同樣快的速度出現(xiàn)，就像條形磁鐵的兩極一樣。這種極化產(chǎn)生了一種力，將粒子推向光最強(qiáng)烈的區(qū)域，指向激光束的焦點(diǎn)。

Stickler解釋說(shuō)，當(dāng)極化快速來(lái)回翻轉(zhuǎn)時(shí)，它就像發(fā)射電磁波的天線(xiàn)內(nèi)的電流一樣，“因?yàn)橛屑铀匐姾?，所以?huì)發(fā)出輻射”。

通過(guò)調(diào)整液晶面板，研究人員可以將兩個(gè)焦點(diǎn)拉得更近。在幾微米的距離處，粒子開(kāi)始感知彼此的波，研究人員可以使它們一致振動(dòng)，就像通過(guò)一系列彈簧連接的物體一樣。

調(diào)整激光還允許研究人員消掉一個(gè)粒子施加在另一個(gè)粒子上的力，而不關(guān)閉來(lái)自第二個(gè)粒子的相反的力。Stickler說(shuō)，他們下一步計(jì)劃使用激光將兩個(gè)粒子冷卻到量子基態(tài)。屆時(shí)，將粒子置于量子糾纏狀態(tài)將成為可能，這意味著它們的一些可測(cè)量屬性比經(jīng)典非量子物理定律所允許的關(guān)聯(lián)更強(qiáng)。

糾纏是量子行為的一個(gè)標(biāo)志，通常只在亞原子尺度上觀(guān)察到。長(zhǎng)期以來(lái)，物理學(xué)家一直在爭(zhēng)論宏觀(guān)物體是否受它們自己的一套定律支配，或者量子效應(yīng)在這些尺度上是否太難觀(guān)察。通過(guò)在越來(lái)越大的尺度上證明量子行為，許多實(shí)驗(yàn)正在努力探索這個(gè)問(wèn)題。去年，兩個(gè)團(tuán)隊(duì)獨(dú)立地將一對(duì)微米尺度的圓桶置于糾纏狀態(tài)，這是第一次對(duì)宏觀(guān)物體進(jìn)行這樣的實(shí)驗(yàn)。

但研究人員表示，這種被“夾住”的物體存在局限性：它們?cè)谖锢砩吓c設(shè)備相連，這使得微妙的量子態(tài)很容易被破壞。

考慮到這一點(diǎn)，奧地利因斯布魯克大學(xué)理論物理學(xué)家Peter Zoller等人在2010年首次設(shè)想使用懸浮納米粒子進(jìn)行量子實(shí)驗(yàn)。Zoller認(rèn)為，可以把納米顆粒想象成一個(gè)能用激光控制并移動(dòng)的小型計(jì)算機(jī)。

Stickler補(bǔ)充說(shuō)，懸浮技術(shù)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以很好地捕獲兩個(gè)以上的粒子。Zoller對(duì)此表示贊同：“它可以立即擴(kuò)展到更大的數(shù)量。當(dāng)懸浮和激光冷卻應(yīng)用于單個(gè)原子或離子時(shí)，就像量子計(jì)算中的秘密配方。同樣的情況也會(huì)發(fā)生在納米顆粒上。”(辛雨)

關(guān)鍵詞： 懸浮納米粒子 激光電場(chǎng)的快速振蕩 精密靈敏的測(cè)量設(shè)備 亞原子尺度