纳米转子的两种摆动模态的量子基态冷却

将微小转子固定在原地

纳米尺度的物体从不真正静止：它们因热运动而颤动、旋转和摇摆。这种持续的活动通常掩盖了微弱的量子效应。在这项工作中，研究者展示了他们几乎可以完全冻结由二氧化硅球体构成的微小“纳米转子”的摆动，将其运动压制到量子力学允许的最安静状态。掌握这种控制技术为极其灵敏的扭矩传感器以及在台式试验中检验量子力学在更宏观尺度上适用性的实验打开了大门。

为什么旋转纳米颗粒重要

以往大多数将运动驯服到量子水平的实验侧重于沿直线往复运动的对象，例如微小的弹簧或悬臂梁。旋转运动更为丰富：旋转或摆动的物体可以沿闭合角度路径演化，产生在线性运动中没有直接对应的现象，例如不同取向之间的量子隧穿以及不同旋转路径之间的干涉。如果科学家能够足够好地冷却和控制微小转子，他们就能制备出大尺度的量子叠加态，并用它们探测诸如波函数坍缩或难以捉摸的暗物质等理念，还能构建能检测极其微小扭转的扭矩传感器。

捕获并冷却纳米哑铃

团队使用由两个或多个二氧化硅球组装而成的纳米转子，形成宽度为数百纳米的哑铃或三聚体等结构。他们首先用短脉冲激光将这些颗粒从涂层表面发射出来，这是一种精细的“激光诱导解吸”技术，即使在真空腔内也能高效工作。一旦在低压下悬浮于空中，聚焦极紧的红外激光束作为光学镊子，捕获单个纳米转子并将其悬浮在空中。由于颗粒在不同轴向的极化率略有差异，陷阱光的偏振会倾向于使哑铃定向，从而将旋转运动转变为围绕优选取向的小幅振荡——即所谓的摆动（libration）。

用光作为制冷机

为冷却这些摆动，受困的纳米转子被置于由两面高反射镜构成的高品质因数光学腔内。陷阱光被颗粒相干散射到特定的腔模中。通过精确调节腔与镊子光的频率关系，研究者使得散射事件更可能每次移去一个旋转能量量子而不是增加一个。每一次这样的“反斯托克斯”事件都会将纳米转子的摆动的微小机械能量转移到光场中，然后由光逸出腔体。通过将腔调节为两种正交偏振分别耦合到两条独立的摆动方向，实验装置可以单独控制并冷却每个摆动方向。

达到量子安静极限

通过用灵敏的外差检测监测散射光，团队进行了一种旁带热测量，读取剩余的摆动量子数。对于由较小球体组成的簇，他们将一个摆动模态冷却到平均约五分之一量子激发，对应的有效温度仅为几十微开尔文，角不确定度约为17微弧弧度——仅略高于不可避免的量子零点展宽。对于较大的哑铃，他们将该方法扩展以同时冷却两个互相垂直的摆动模态，每个模态的占据数接近单个量子。这意味着纳米哑铃的取向在两个方向上的精度都优于20微弧弧度，极接近最终的量子极限。他们还展示了得益于改进的装载方案，可以在同一天对多只新捕获的纳米转子重复这一过程。

这种量子控制接下来能实现的事

将两个旋转自由度冷却到如此接近量子基态，实际上将纳米转子在空间中固定到接近最小可能不确定度。这一能力是更有雄心的实验的关键先决条件，例如让一个良好定向的转子自由演化以形成并重组旋转量子波包——一个角度上的双缝类比。它也为构建灵敏到可探测新物理的扭矩传感器铺平道路，并为未来使用更轻或甚至生物性纳米转子（如病毒）进行研究开辟了途径，使其旋转量子行为能够在现实的实验室条件下得到探索。

引用: Troyer, S., Fechtel, F., Hummer, L. et al. Quantum ground-state cooling of two librational modes of a nanorotor. Nat. Phys. 22, 584–590 (2026). https://doi.org/10.1038/s41567-026-03219-1

关键词: 悬浮光学力学, 纳米转子冷却, 量子基态, 光学腔, 扭矩传感