让纳米粒子跳舞，来解开量子极限

两个光学捕获的纳米粒子通过在镜子之间来回弹跳的光子耦合在一起。图片来源：曼彻斯特大学

经典物理学和量子物理学之间的界限在哪里的问题是现代科学研究最长期的追求之一，在今天发表的新研究中，科学家们展示了一个可以帮助我们找到答案的新颖平台。

量子物理定律控制着微小尺度粒子的行为，导致诸如量子纠缠之类的现象，其中纠缠粒子的特性以经典物理学无法解释的方式变得密不可分。

量子物理学研究帮助我们填补物理学知识的空白，让我们对现实有更完整的了解，但量子系统运行的微小尺度可能使它们难以观察和研究。

在过去的一个世纪里，物理学家已经成功地在越来越大的物体中观察到量子现象，从电子等亚原子粒子到包含数千个原子的分子。

最近，悬浮光力学领域涉及真空中高质量微米级物体的控制，旨在通过测试比原子重几个数量级的物体中量子现象的有效性来进一步突破极限。分子。然而，随着物体质量和尺寸的增加，导致纠缠等微妙量子特征的相互作用会消失在环境中，从而导致我们观察到的经典行为。

但现在，由曼彻斯特大学量子工程实验室负责人 Jayadev Vijayan 博士与苏黎世联邦理工学院的科学家以及因斯布鲁克大学的理论家共同领导的团队已经建立了一种新方法来克服这个问题在苏黎世联邦理工学院进行的一项实验，发表在自然物理学杂志上。

Vijayan 博士说：“为了在更大尺度上观察量子现象并揭示经典量子跃迁，需要在环境噪声存在的情况下保留量子特征。正如你可以想象的，有两种方法可以做到这一点；一是抑制噪声，二是增强量子特征。

“我们的研究展示了一种通过第二种方法来应对这一挑战的方法。我们表明，两个光学捕获的 0.1 微米大小的玻璃颗粒之间纠缠所需的相互作用可以放大几个数量级，以克服对环境的损失。 ”

科学家们将粒子放置在两个高反射镜之间，形成一个光学腔。这样，每个粒子散射的光子在离开腔体之前会在镜子之间反弹数千次，从而导致与另一个粒子相互作用的机会明显更高。

苏黎世联邦理工学院论文的共同负责人 Johannes Piotrowski 补充道：“值得注意的是，由于光学相互作用是由空腔介导的，因此它的强度不会随着距离而衰减，这意味着我们可以耦合几毫米范围内的微米级粒子。”

研究人员还展示了通过改变激光频率和腔内颗粒位置来精细调整或控制相互作用强度的卓越能力。

这些发现代表了理解基础物理学的重大飞跃，但也为实际应用带来了希望，特别是在可用于环境监测和离线导航的传感器技术方面。

维也纳技术大学的合作者卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗 (Carlos Gonzalez-Ballestero) 博士表示：“悬浮机械传感器的关键优势在于，相对于其他使用传感的量子系统，它们具有较高的质量。高质量使它们非常适合检测重力。”和加速度，从而获得更好的灵敏度。因此，量子传感器可用于各个领域的许多不同应用，例如监测极地冰以进行气候研究和测量加速度以用于导航目的。

Piotrowski 补充道：“在这个相对较新的平台上工作并测试我们能将其推向量子领域多远，真是令人兴奋。”

现在，研究人员团队将把新功能与成熟的量子冷却技术结合起来，朝着验证量子纠缠迈进。如果成功，实现悬浮纳米粒子和微米粒子的纠缠可以缩小量子世界与日常经典力学之间的差距。

在曼彻斯特大学光子科学研究所和电气与电子工程系，Jayadev Vijayan 博士的团队将继续研究悬浮光力学，利用多个纳米粒子之间的相互作用来应用于量子传感。

更多信息：悬浮光力学中空腔介导的长程相互作用，自然物理学 (2024)。 DOI：10.1038/s41567-024-02405-3。 www.nature.com/articles/s41567-024-02405-3

Journal information: Nature Physics

期刊信息：自然物理学

来自：量子梦