一个二氧化硅纳米转子被光镊（红色）捕获在光学谐振腔（蓝色）内。冷却后，转子在捕获势阱中的排列接近其量子不确定性极限（白色圆锥）。
图片来源：奥地利维也纳大学
奥地利维也纳大学联合维也纳工业大学和德国乌尔姆大学的研究团队首次在二维方向上，将一个悬浮纳米转子的转动冷却至量子基态，完成了转动取向的量子极限控制。这一成果被认为是迈向量子精密测量的重要里程碑。相关成果发表于最新一期《自然·物理学》杂志。
在宏观世界中，微小颗粒总会因热能不断抖动和旋转，而温度正是这种运动强弱的体现。经典物理认为持续降温可以让粒子完全停止运动，但量子力学指出，即使在绝对零度，粒子仍会保留无法消除的最低能量，其取向也必然存在不确定性，这种现象被称为量子零点涨落。
团队利用激光在超高真空环境中捕获二氧化硅纳米颗粒，使其成为近乎理想的谐振子。这种颗粒不仅会像钟摆一样发生前后振动，还会像扭摆一样发生角度摆动，相当于同时具备平动和转动两种运动模式。当温度降至仅比绝对零度高万分之一摄氏度时，其能量不再连续变化，而只能在离散量子能级间跃迁，其中最低能级就是量子基态。
此前，科学家已能把悬浮纳米颗粒的平动运动冷却到量子基态，但转动控制难度更高，且仅在单一方向实现。这项研究首次在两个转动方向上同时实现量子基态冷却，向转动自由度的量子控制迈出关键一步。
实验中，团队使用一种“纳米哑铃”结构作为转子。该结构由两个直径约150纳米的二氧化硅小球组成，在激光电场作用下，这个微小转子就像被一根“看不见的弹簧”固定住方向。随着冷却过程推进，转子温度降低到仅比绝对零度高几十微开尔文，最终其转动能量冷却至量子基态。在这一状态下，转子的取向不确定性仅约20微弧度，已接近量子力学允许的理论极限。
团队表示，此时转子末端的运动幅度已小于单个原子直径的百分之一。这就好比一根指南针的指针，其指向精度已经优于一个细菌的宽度。这一成果为未来开展转动自由度物质波干涉实验，以及开发超高灵敏量子力矩传感器奠定了基础，有望在基础物理研究和精密测量领域发挥作用。
