最初，被捕获的转子呈现出天平动，因此研究人员转向光冷却，将温度降至接近绝对零度。

欧洲多个机构的研究人员合作取得了世界首次突破：将硅纳米转子捕获在其量子基态。该团队利用强光将纳米粒子的取向限制在量子零点涨落的范围内，这标志着向旋转物质干涉测量和量子扭矩传感迈出了重要里程碑。

在我们的日常世界中，粒子由于热能在不断振动和旋转。随着温度升高，这种振动和旋转运动加剧；而物质冷却时，运动则减弱。根据经典物理学，通过冷却可以将这些粒子的运动完全停止，但量子力学告诉我们并非如此。

根据量子力学，即使在绝对零度，粒子仍保留部分能量并保持无序——即它们的量子基态。当粒子冷却到接近绝对零度时，它们的能量不再连续变化，而是以与其量子基态相关的量子化能级步进变化。

维也纳大学的研究人员此前已成功将悬浮纳米粒子冷却至其量子基态。但冷却旋转运动被证明具有挑战性，且仅由苏黎世联邦理工学院的研究人员在一维上实现。

二维冷却

在维也纳大学、维也纳技术大学和乌尔姆大学的研究人员进行的一系列新实验中，团队利用激光的电场捕获了一个纳米哑铃转子。最初，被捕获的转子呈现热角振荡或天平动，因此研究人员转向光冷却，将温度降至接近绝对零度。

为实现这一目标，研究人员采用了相干散射技术：将纳米粒子捕获在100 MW/cm²的光强中，并将其散射到光学谐振腔内。在这个过程中，单个光子将粒子旋转的一个机械能量量子携带走，进入光学谐振腔，从而冷却纳米转子粒子。

通过在两个轴向上进行这一操作，该研究首次实现了转子取向的量子极限对准，其方向的不确定性仅在20微弧度以内。

"转子的尖端移动距离小于单个原子直径的百分之一，"参与该研究的研究人员Stephan Troyer解释道，"这就像指南针的指针被校准到优于一个细菌宽度的精度。"

新一代量子技术

这一系列实验不仅是实验室的成就，也为新一代量子技术打开了大门。转子每转一圈，最终都会回到相同的取向。这些量子效应在线性运动中没有对应物。

例如，当捕获光被关闭时，纳米转子可以同时向各个方向旋转，就像处于取向的叠加态一样。因此，这些旋转粒子为未来的实验提供了新的见解和能力，有望催生新一代量子技术。

"我们二维冷却方法的美妙之处在于它跨越了尺度，"Troyer在新闻稿中补充道。"更大物体的冷却更容易，但将我们的技术应用于更小的结构，我们希望能够在旋转中观察到这种量子干涉。这是探索量子物理与日常生活现象之间界面的一个有趣系统。"

低温纳米转子对小扭矩也很敏感，因此成为量子扭矩传感（量子技术的另一个新兴领域）的理想选择。

该研究成果发表在《自然·物理学》期刊上。

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