科学家实现不冷却即可冻结量子运动

例如，直径仅为一百纳米的微小玻璃球体可以被观测——这仍然比一粒沙子小一千多倍，但在量子尺度上却堪称巨大。多年来，科学家们一直在尝试证明此类球体在多大程度上仍表现出量子特性。苏黎世联邦理工学院的一个研究小组，在维也纳工业大学（TU Wien）的理论支持下，如今取得了突破：他们能够证明，即使不采用复杂的冷却方法将其冷却至接近绝对零度，而是在室温下，此类粒子的旋转振动行为也遵循量子物理规律。

振动量子：只允许特定的抖动

“微观粒子总是会轻微抖动的，”维也纳工业大学理论物理研究所的卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗（Carlos Gonzalez-Ballestero）说道。“这种振动取决于温度以及粒子如何受其环境影响。”

在日常生活中，我们假设任何形式的振动都是可能的。例如，时钟的钟摆可以摆动到任意角度，可以使其振荡稍强或稍弱——随心所欲。然而，在量子世界里，情况则不同：如果你观察能量非常低的振动，你会发现存在非常特定的“振动量子”。

存在一个最小的振动，称为“基态”；一个能量稍高、携带更多能量的振动（“第一激发态”），依此类推。不存在介于两者之间的状态，但粒子可以存在于不同振动状态的量子物理组合中——这是量子物理的核心概念之一。

“将纳米粒子置于其量子特性显现的状态非常困难，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗说。“你必须让粒子悬浮，以便尽可能将其与任何干扰隔离。通常，你还需要确保极低的温度，接近绝对零度，即零下273.15摄氏度。”

旋转冻结，粒子仍热

苏黎世联邦理工学院和维也纳工业大学现已开发出一种技术，即使纳米粒子本身处于高温无序状态，也能将其特定方面带入量子物理状态。

“我们使用的纳米粒子并非完美的球形，而是略带椭圆状，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗解释道。“当你将这样的粒子置于电磁场中时，它开始旋转。我们的问题是：我们能否看到这种旋转振动的量子特性？我们能否从这种旋转运动中提取能量，直到它主要处于量子基态？”

为此使用了激光束和反射镜系统。“激光既可以向纳米粒子提供能量，也可以从中带走能量，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗解释道。“通过适当地调整反射镜，你可以确保以高概率提取能量，而仅以低概率添加能量。旋转运动的能量因此减少，直到我们接近量子基态。”

然而，为了实现这一点，必须解决若干棘手的理论问题——必须正确地理解和控制激光的量子噪声。

破纪录的量子纯度

最终，实验确实证明可以将旋转带入几乎完全对应于量子力学基态的状态。令人惊讶的是，纳米粒子并没有冷却下来——相反，它实际上有数百度高温。

“你必须分开考虑不同的自由度，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗解释道。“这使得旋转运动的能量能够被非常有效地降低，而无需同时降低纳米粒子的内部热能。令人惊奇的是，可以说旋转能够‘冻结’，即使粒子本身具有高温。”

这使得创造一种在量子物理学意义上比以往用类似粒子所能达到的状态显著“更纯净”的状态成为可能——尽管不需要冷却。“这是在技术上惊人实用的扩展量子物理边界的方法，”卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗说。“我们现在可以以一种稳定可靠的方式研究物体的量子特性，而这在以前几乎是不可能的。”