纳米转子转动完成二维量子极限控制

来源：科技日报

科技日报记者 张佳欣

二维纳米转子首次实现量子基态冷却

宏观尺度下，热运动驱动微小颗粒持续振动与旋转。降温是抑制其运动的经典路径。然而在量子领域，这一逻辑面临根本性修正：即便无限趋近绝对零度，粒子仍保有不可消除的最低能量，其空间取向也存在固有的量子不确定性。这一物理本质，即量子零点涨落。

量子冷却新突破：二维转动自由度进入基态

奥地利维也纳大学、维也纳工业大学与德国乌尔姆大学的联合团队，近期在量子控制领域取得关键进展。他们首次将悬浮纳米转子的二维转动冷却至量子基态，实现了对其空间取向的量子极限操控。该成果标志着向下一代量子精密测量迈出实质性一步，研究论文已发表于《自然·物理学》。

实验在超高真空环境中，利用激光捕获二氧化硅纳米颗粒，将其制备为近乎理想的谐振子。该颗粒同时具备平动（振动）与转动（扭转）两个自由度。当环境温度冷却至绝对零度以上万分之一摄氏度时，其能量状态呈现量子化特征，只能在离散能级间跃迁。其中最低的能级即为量子基态。

此前，悬浮纳米颗粒的平动量子基态冷却已被实现，转动维度的控制则更具挑战，且仅在一维方向上达成。本次研究的核心突破，在于首次在两个正交的转动维度上同步实现基态冷却，为全面操控转动自由度开辟了路径。

“纳米哑铃”结构与光学束缚机制

实现这一操控的关键，在于团队设计的“纳米哑铃”转子结构。该转子由两个直径约150纳米的二氧化硅微球连接构成。通过精密调控激光电场，在哑铃周围形成等效的光学势阱，如同为其施加了“无形弹簧”，从而牢牢束缚其空间取向。

随着冷却过程深入，转子温度降至绝对零度以上数十微开尔文。此时，其转动能量被成功压制至量子基态。处于该状态的转子，其取向不确定性被限制在约20微弧度量级，已逼近量子力学原理所设定的理论极限。

应用前景：基础物理探索与极限测量技术

这一精度意味着什么？相当于一根指南针指针的指向偏差，小于一个细菌的宽度；或转子末端的摆动幅度，小于单个原子直径的百分之一。

此项成就超越了单纯的纪录刷新。它为基于转动自由度的物质波干涉实验提供了必要条件，也为构建超高灵敏度量子力矩传感器奠定了技术基础。这类前沿量子器件，将在检验量子引力效应等基础物理前沿，以及实现极弱扭矩、纳米尺度磁场探测等下一代精密测量中，扮演关键角色。量子控制的疆域，正从平动维度系统性地拓展至转动维度。