科学家在不冷却的情况下冻结量子运动

例如，直径仅一百纳米的玻璃微球体可以被观测——这仍比一粒沙子小上千倍，但在量子尺度上已堪称巨大。多年来，科学家们一直试图证明这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研究团队在维也纳工业大学的理论支持下取得突破：他们证实这类粒子的旋转振动遵循量子物理规律，不仅在使用复杂冷却方法将其冷却至接近绝对零度时如此，甚至在室温下亦然。

振动量子化：只允许特定摆动模式

"微观粒子总会存在轻微摆动，"维也纳工业大学理论物理研究所的卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗解释道，"这种振荡取决于温度及环境对粒子的影响。"

日常生活中我们认为任何振荡都是可能的。例如钟摆可以任意角度摆动，其振荡强度也可自由调节。但在量子世界情况截然不同：当观察极低能量振动时，会发现存在特定的"振动量子"。

存在被称为"基态"的最小振动，稍强的振动携带更多能量（"第一激发态"），以此类推。不存在中间状态，但粒子可以处于不同振动态的量子叠加——这正是量子物理的核心概念之一。

"让纳米粒子显现量子特性极其困难，"冈萨雷斯-巴列斯特罗指出，"必须让粒子悬浮以最大限度隔离干扰。通常还需创造接近绝对零度（零下273.15摄氏度）的极端低温环境。"

旋转冻结，粒子保持高温

苏黎世联邦理工与维也纳工业大学联合开发的新技术，能在粒子本身处于高温无序状态时，将其特定运动维度导入量子态。

"我们使用的纳米粒子并非完美球形，而是略带椭圆，"冈萨雷斯-巴列斯特罗说明，"当这种粒子处于电磁场中时会产生旋转。我们的核心问题是：能否观测这种旋转振动的量子特性？能否通过能量提取使其主要处于量子基态？"

研究团队采用激光束与镜面系统实现这一目标。"激光既可向粒子输送能量，也能汲取能量，"冈萨雷斯-巴列斯特罗阐释，"通过精密调节镜面系统，能确保高概率能量提取与低概率能量输入。旋转运动的能量因此持续降低直至接近量子基态。"

实现这一目标需要解决多项理论难题——必须准确理解并控制激光的量子噪声。

破纪录的量子纯度

最终实验成功证明：旋转运动可被调控至几乎完全对应量子力学基态的状态。令人惊叹的是，纳米粒子本身并未冷却——相反其温度仍高达数百摄氏度。

"需要区分不同的自由度，"冈萨雷斯-巴列斯特罗解释，"这种方法能高效降低旋转运动能量，同时无需减少粒子内部热能。神奇的是，旋转运动可以说被'冻结'了，尽管粒子本身仍处于高温状态。"

该技术创造了量子纯度显著优于以往同类实验的状态——且无需冷却程序。"这是突破量子物理边界的技术奇迹，"冈萨雷斯-巴列斯特罗评价，"我们现在能以稳定可靠的方式研究宏观物体的量子特性，这在过去几乎不可想象。"