在極端真空中被激光器捕獲的玻璃納米粒子被認為是探索量子世界極限的一個有希望的平台。自從量子理論問世以來，一個物體在什麼尺寸上開始被量子物理學定律而不是經典物理學規則所描述，這個問題一直沒有答案。

物理學家正在研究真空中被激光捕獲的玻璃納米粒子，以探索量子世界的極限並確定經典物理學何時不再適用。這是ERC-Synergy項目Q-Xtreme的一部分，其中一個團隊正在努力通過盡可能減少納米粒子運動中儲存的能量來實現量子基態。

由Lukas Novotny（蘇黎世聯邦理工學院）、Markus Aspelmeyer（維也納大學）、Oriol Romero-Isart（因斯布魯克大學）和Romain Quidant（蘇黎世）組成的團隊正試圖在ERC-Synergy項目Q-Xtreme中回答這一問題。實現這一目標的一個關鍵步驟是盡可能地減少納米粒子運動中儲存的能量，即把粒子冷卻到所謂的量子基態。

對運動的所有維度進行控制

Q-Xtreme團隊在納米粒子的基態冷卻方面已經合作了很長時間。在蘇黎世和維也納的幾次實驗中，在Gonzalez-Ballestero博士和因斯布魯克大學的Romero-Isart教授的理論計算支持下，通過使用電子控制（主動反饋）抑製粒子運動或將粒子置於兩個鏡子之間（基於空腔的冷卻），首次展示了納米粒子的這種基態冷卻。到目前為止，在實驗中，只沿粒子運動的三個方向中的一個方向實現了基態，而沿另外兩個方向的運動則是”熱”的。

帶有實驗裝置的真空室將粒子懸浮在一個空腔內。腔體由兩面鏡子組成，鏡子上有塗層，對紅外光有極強的反射性。中間的圓柱形部分在其頂端有一個透鏡，將紅外激光聚焦到粒子被困住的地方。資料來源：Johannes Piotrowski

奧地利科學院量子光學和量子信息研究所和因斯布魯克大學理論物理系的岡薩雷斯-巴列斯特羅強調說：”沿著一個以上的方向實現基態冷卻是探索新型量子物理學的關鍵。但到目前為止，這一成就仍然難以實現，因為要使粒子位於其間的鏡子與沿三個方向的某些運動有效地相互作用，這是一個挑戰。所謂的”暗模效應”阻止了冷卻到完全基態。”

以不同的頻率來實現目標

現在，蘇黎世聯邦理工學院光子學實驗室的研究首次成功實現了納米粒子沿兩個運動方向的基態冷卻。一個比沙粒小約一千倍的玻璃球在高真空中與環境完全隔離，並由一束強聚焦的激光束照射，同時被冷卻到接近絕對零度。基於因斯布魯克團隊的理論預測，瑞士物理學家們能夠規避暗態問題。蘇黎世聯邦理工學院的Lukas Novotny說：”為了做到這一點，我們設計了粒子在兩個方向振蕩的不同頻率，並仔細調整了激光的偏振。”

這項發表在《自然-物理學》上的工作表明，有可能達到三個運動方向的最小能量狀態。它還允許在兩個方向上創建脆弱的量子態，這可用於創建超靈敏的陀螺儀和傳感器。