如何将一个粒子冷却到量子?

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从粒子到量子不仅仅是数量级的问题,更是一个物理极限问题。最近有研究人员将一个玻璃纳米粒子冷却到量子系统。

由维也纳大学和苏黎世联邦理工学院的研究人员共同进行的实验首次将一个玻璃纳米粒子冷却到量子系统。为了做到这一点,研究人员让粒子在激光的帮助下被剥夺了动能。剩下的是运动,即所谓的量子波动,它不再遵循经典物理学的规律,而是量子物理学的规律。

实现这一目标的玻璃球比一粒沙子小得多,但仍由几亿个原子组成。与光子和原子的微观世界相比,纳米粒子让人们了解到宏观物体的量子性质。

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与实验物理学家马库斯·阿斯佩尔迈耶合作,由因斯布鲁克大学和奥地利科学院量子光学和量子信息研究所的奥里奥尔·罗梅罗·伊萨特领导的理论物理学家团队现在提出了一种利用纳米粒子的量子特性进行各种应用的方法。

"虽然处于运动基态的原子在大于原子大小的距离上反弹,但处于基态的宏观物体的运动却非常非常小,"来自因斯布鲁克团队的塔利塔·魏斯和马克·罗达·洛德斯解释说。"纳米粒子的量子波动比原子的直径还要小"。

为了利用纳米粒子的量子性质,粒子的波函数必须被大大扩展。在因斯布鲁克量子物理学家的计划中,纳米粒子被困于光场中并被冷却到基态。通过有节奏地改变这些场,粒子现在成功地在指数级大的距离上短暂地脱域。

即使是最小的扰动也可能破坏粒子的一致性,这就是为什么通过改变光势,只需要短暂地拉开粒子的波函数,然后立即再次压缩它。通过反复改变电位,纳米粒子的量子特性就可以被利用起来。

有了这项新技术,可以更详细地研究宏观的量子特性。事实也证明,这种状态对静态力非常敏感。因此,该方法可以实现高度敏感的仪器,可以用来非常精确地确定重力等力。使用这种方法同时膨胀和压缩的两个粒子,也有可能通过弱相互作用将它们纠缠在一起,并探索宏观量子世界的全新领域。

与其他提案一起,这个新概念构成了欧洲研究理事会协同资助项目Q-Xtreme的基础,该项目已于去年获得批准。

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