量子效应突破尺度！瑞士学者实现悬浮纳米球“分身术”
量子效应经常作为宏观粒子的特征而被人们熟知——电子会两全，原子能穿墙，究其缘故原由，是它们有较长的相关长度，即它们的波函数可以扩大到一个可观以至很年夜的空间区域，以是它们有几率泛起正在空间中的肆意位置（离域化）。然而，这类怪异征象正在肉眼可见的微观世界中鸣金收兵，以至关于标准仅为纳米级另外物体，观测这类离域化征象依旧是好不容易的。可是，最新的冲破性研究让咱们瞅到新的但愿，观测微观物体的量子效应并不是不成能！近日，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究职员胜利地将一个直径为100nm的纳米球的量子态举行了离域化[1]。他们经由过程调控光镊，疾速升高激光功率，并采纳紧密的脉冲序列，将纳米球的相关长度（量子离域化的标准）扩展到其初始量子基态极限的三倍以上，同时维持了高纯度。这项冲破性结果颁发正在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，标记着微观标准下的离域化成为可能，为更年夜标准上查验量子力学以及完成超高精度传感器的要害范畴奠基了根蒂根基。电子显微镜下的纳米球（左）光镊捕捉纳米球（右）© Physical Review Letters以往针对量子离域化的
量子效应经常作为宏观粒子的特征而被人们熟知——电子会两全，原子能穿墙，究其缘故原由，是它们有较长的相关长度，即它们的波函数可以扩大到一个可观以至很年夜的空间区域，以是它们有几率泛起正在空间中的肆意位置（离域化）。然而，这类怪异征象正在肉眼可见的微观世界中鸣金收兵，以至关于标准仅为纳米级另外物体，观测这类离域化征象依旧是好不容易的。可是，最新的冲破性研究让咱们瞅到新的但愿，观测微观物体的量子效应并不是不成能！
近日，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究职员胜利地将一个直径为100nm的纳米球的量子态举行了离域化[1]。他们经由过程调控光镊，疾速升高激光功率，并采纳紧密的脉冲序列，将纳米球的相关长度（量子离域化的标准）扩展到其初始量子基态极限的三倍以上，同时维持了高纯度。这项冲破性结果颁发正在国际学术期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上，标记着微观标准下的离域化成为可能，为更年夜标准上查验量子力学以及完成超高精度传感器的要害范畴奠基了根蒂根基。
电子显微镜下的纳米球（左）
光镊捕捉纳米球（右）
© Physical Review Letters
以往针对量子离域化的研究，例如原子、电子的双缝试验等已经是惯例操作。然而，将这类征象扩大到更年夜、更重的物体（如机器振子）上，不断是一个伟大的应战[2]。虽然研究职员已胜利将机器体系冷却到靠近其量子基态，但正在该状况下的离域化遭到零点静止（zero-point motion）的限定[3]。关于纳克（ng）级的物体凡是只到达飞米标准（10-15米）的离域化。要显著扩展这类离域化，同时维护懦弱的量子相关性免受情况噪声的粉碎，此前不断难以完成。
对此，本研究采纳了光镊（聚焦的激光束）将一个直径100纳米、品质约1.18飞克（fg）的二氧化硅纳米球捕捉正在温度低至7开尔文（K）的超高真空腔内。
试验安装布局图
© Physical Review Letters
他们起首经由过程反馈冷却技能，将纳米球沿z轴的静止冷却到很是靠近其量子基态（平均声子数 n̄ ≈ 0.68，象征着首要处于基态，仅有轻细残留热能）的水平。正在此状况下，其位置没有肯定性约为17皮米（pm），相关长度 ξ₀ ≈ 21 pm。离域化方案要害的一步是，他们采纳了准确计时的激光脉冲序列来疾速调制光学陷阱。经由过程俄然两次升高激光功率（脉冲1以及脉冲3），升高了振荡频次。而且正在两个脉冲之间参加四分之一振荡周期的提早（步骤2），有助于对消由杂散力惹起的动量打击。
离域化方案步骤示用意
© Physical Review Letters
这类调制招致纳米球的波函数相关地膨胀。相当重要的是，膨胀速度凌驾了退相关机制。终极，他们完成了终极相关长度 ξ ≈ 53 pm —— 凌驾初始 ξ₀ ≈ 21 pm 的三倍。
“现实上，察看到的波函数宽度依然比纳米球自身的尺寸小一千倍，”苏黎世联邦理工学院的传授Novotny（也是该事情的通信作者之一）说，“但若将纳米球置于掉重状况，有可能进一步扩大波函数。这将成为通向微观物体量子态制备的钥匙。”同时，Physics Magazine的编纂Michael Schirber也对此事情给出了高度评估[4]：“这无疑是迈向将来量子物理学查验的重要一步。”
要是离域间隔变患上与物体自身的物理尺寸至关时，量子效应也再也不是宏观世界的专属。或者，量子宏观世界与咱们可触可感的微观世界之间，远比咱们想象的更具渗入性。
参考文献：
[1] M. Rossi et al., “Quantum delocalization of a levitated nanoparticle,” Phys. Rev. Lett. 135, 083601 (2025).
[2] M. Aspelmeyer, T. J. Kippenberg, and F. Marquardt, Cavity optomechanics, Rev. Mod. Phys. 86,1391 (2014).
[3] M. Rossi, D. Mason, J. Chen, Y. Tsaturyan, and A.Schliesser, Measurement-based quantum control of mechanical motion, Nature (London) 563,53 (2018).
[4] Michael Schirber, Unleashing the Quantumness of a Nanoparticle, Physics 18, s107 (2025).
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