加州理工學(xué)院連同維也納大學(xué)組成的研究團(tuán)隊(duì)，利用激光將納米機(jī)械共振器冷卻至基態(tài)，即能量最低狀態(tài)。這為研發(fā)高度敏感的探測(cè)器以及進(jìn)行業(yè)界長(zhǎng)期夢(mèng)想的量子實(shí)驗(yàn)鋪平了道路。相關(guān)研究報(bào)告發(fā)表在6日出版的《自然》雜志上。

雖然研究小組并非首個(gè)將納米機(jī)械物體冷卻至量子基態(tài)的團(tuán)隊(duì)，但此項(xiàng)研究卻是首次成功嘗試?yán)�用可�?jiàn)光，將由數(shù)十億原子組成的固態(tài)納米機(jī)械系統(tǒng)冷卻至基態(tài)，使其遵從量子力學(xué)法則。過(guò)去，科學(xué)家只能通過(guò)囚禁單個(gè)原子或離子實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。

主要研究人員、加州理工學(xué)院應(yīng)用物理系教授奧斯卡·佩恩特表示，他們制成了納米規(guī)格的機(jī)械硅橫梁，令精心挑選頻率的激光能夠進(jìn)入這一系統(tǒng)，并通過(guò)反射，帶走熱能，達(dá)到冷卻系統(tǒng)的效果。

此前達(dá)到基態(tài)的傳統(tǒng)冷卻方法雖然存在，但卻花費(fèi)高昂，甚至在某些情況下是不可能實(shí)現(xiàn)的；而如何測(cè)量寒冷的機(jī)械系統(tǒng)也是一大難題。對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)利用了不同的冷卻策略，他們借助光子場(chǎng)從系統(tǒng)向外釋放光子，解決了上述難題。

研究人員在機(jī)械橫梁上的精確位置鉆上了多個(gè)小孔，當(dāng)激光投射在橫梁上，這些小孔就像鏡子一般，將光囚禁在洞內(nèi)，使其與橫梁的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生強(qiáng)烈的互動(dòng)。由于光的頻率的轉(zhuǎn)變與機(jī)械物體的熱運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)，當(dāng)光最終從小洞內(nèi)逃離時(shí)，也會(huì)隨之帶走橫梁的振動(dòng)和溫度，因此，研究人員創(chuàng)造出一個(gè)光學(xué)機(jī)械傳感器，可以將機(jī)械系統(tǒng)的信息轉(zhuǎn)化為光子。

更重要的是，這種光不像微波或電子，其能在千米長(zhǎng)的距離內(nèi)傳輸并且不衰減，這使光學(xué)機(jī)械傳感器能夠連接不同的量子系統(tǒng)，比如將微波系統(tǒng)和光學(xué)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)起來(lái)，起到機(jī)械導(dǎo)管的作用。

為達(dá)到量子基態(tài)，即機(jī)械振動(dòng)處于絕對(duì)極小值，研究團(tuán)隊(duì)將橫梁冷卻至零下273.15攝氏度，這是因?yàn)闄M梁的設(shè)計(jì)振動(dòng)頻率為千兆赫（相當(dāng)于每秒十億圈），在這個(gè)范圍內(nèi)，大量聲子將在室溫下出現(xiàn)。聲子是振動(dòng)的最基本單位，系統(tǒng)內(nèi)所有的聲子都將在達(dá)到基態(tài)時(shí)消失。

當(dāng)納米機(jī)械系統(tǒng)降至量子基態(tài)時(shí)，其能幫助探測(cè)出極小的力或質(zhì)量，而這通常會(huì)被感應(yīng)器的熱振動(dòng)所掩蓋。佩恩特表示，他們所做的實(shí)驗(yàn)是為開(kāi)展真正有趣的量子機(jī)械試驗(yàn)提供了一個(gè)出發(fā)點(diǎn)，例如科學(xué)家想要展示能夠?qū)崿F(xiàn)量子疊加的機(jī)械系統(tǒng)，這種奇怪的量子態(tài)在物理系統(tǒng)內(nèi)能夠一次存在于多個(gè)位置，但他們首先需要一個(gè)處于量子基態(tài)的系統(tǒng)來(lái)開(kāi)始上述實(shí)驗(yàn)。

理想上，為了簡(jiǎn)化機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，科學(xué)家未來(lái)將嘗試在室溫下進(jìn)行相關(guān)量子實(shí)驗(yàn)。利用激光冷卻技術(shù)，佩恩特等人可在僅低于室溫10倍的環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，而通常情況下，這需要在低于室溫1萬(wàn)倍的情況下才能實(shí)現(xiàn)。