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最新研究:科学家将纳米粒子冷却到了量子极限

发布时间:2020-07-09   来源:baidu.com
 

在物理学中,量子极限(Quantum limit)是对量子尺度测量精度的极限。量子极限可能是绝对的,例如海森堡限制;也可能仅在使用自然发生的量子状态,例如干涉测量中的标准量子限制。

“标准量子极限”(standard quantum limit,简称SQL)的使用范围不仅仅限于干涉测量法。原则上,对研究中的系统的量子力学可观察到的任何线性测量,只要在不同的时间都不会与其自身相通,就会导致这种局限性。简而言之,就是海森堡不确定性原理。

量子力学规定,测量仪表可观察到的读数应具有固有的不确定性δ^,加于独立于测量量的值X^。这称为测量不精确度或测量噪声。由于海森堡不确定性原理,这种不精确性不能是任意的,与不确定性关系有关:

维也纳大学的科学家们最近将纳米粒子冷却至量子极限,即冷却到量子力学所允许的最低温度,粒子的运动达到了所谓的基态或最低的能级。科学家在特殊设计的腔体(如图所示)中冷却了纳米颗粒,使其达到了海森堡不确定性原理所允许的最低水平,从纳米粒子散射的激光在该人工彩色图像的中心显示为点。冷冻的纳米颗粒只有150纳米大小。

研究人员使用单个激光将150纳米大小纳米微粒冷却到其基态。而在过去的其他方法中,总是有多个激光器和复杂的设备,但在这种情况下,它只是一个激光器和一个粒子。激光利用一种称为“光陷阱”的效应使粒子悬浮,其中光与粒子相互作用,将粒子固定在适当的位置。粒子两侧的镜子会导致光线重叠并对其自身产生干扰。

根据量子力学,这种干扰光只能以某些频率存在。这使研究人员可以选择撞击粒子的光的精确频率。当粒子来回振动时,某些频率的光通过赋予少量能量来加快其速度,而另一些频率则通过去除能量来降低其速度。如果仅允许降低粒子减速的频率,它将一直变得越来越冷,直到达到其基态。

在典型的材料中,其原子四处乱动的量表示为温度。但是对于纳米粒子,科学家可以根据整个纳米粒子的运动来定义一个有效温度,整个纳米粒子由大约1亿个原子组成。科学家在最近日的《科学》杂志上报道说,这一温度达到了0.000012开尔文(约-273°C),仅比绝对零值(最低温度)高出一点点。也就是说,这种微小的纳米粒子已被量子冷却至接近绝对零度的极限。

一旦降到如此极低的温度,热量和运动便可以互换:粒子运动的越多,温度就越高。因此,要冷却小颗粒,必须停止其运动。由于量子力学的规则意味着永远无法确切知道粒子运动的速度,因此粒子的冷却程度是有限的。当粒子处于该极限时,我们称其为粒子的基态。

科学家们将激光悬浮在特殊设计的空腔内,将纳米粒子的运动降低到基态,这是海森堡不确定性原理设定的最低水平,该水平表明物体状况有一定的限制可以同时知道其位置和动量。

尽管量子力学在微小的原子和电子中是成功的,但在更大的规模上很难观察到其作用。为了更好地理解该理论,物理学家此前已将其作用隔离在其他固体物体中。纳米颗粒的优点是可以悬浮并通过激光精确控制。

过去使用了类似的方法来冷却气体,但是从来没有固体颗粒。过去其他冷原子实验也可以创建叠加和量子态,但无法做的是在一个位置创建所有原子的叠加,而在另一个位置创建所有原子的叠加,该实验中的粒子大约有1亿个原子。

研究人员说,该技术最终可用于创建一个量子状态,其中一个固体物体同时占据两个位置,这被称为空间叠加。这种新的操纵量子态粒子的方法可能有一天使我们能够一次在两个地方同时观察到一个物体。

冷却固体并测量其量子态对研究者研究引力量子性质的最终目标很重要,因为测试致密固体的引力要比扩散气体容易得多。这样的设置可以测试物体的引力是否一次同时在两个地方,以及引力如何更普遍地应用于量子物体。

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