科学家们在量子研究领域取得了突破，他们证明纳米粒子即使在室温下——且无需冷却至接近绝对零度——也能表现出量子旋转振动。

他们使用置于电磁场中的椭圆形纳米粒子，通过精心调整的激光和镜子从旋转中吸收能量，直至其达到近乎纯粹的量子基态。令人惊讶的是，尽管粒子本身仍处于数百度的高温，但其旋转在量子层面上却“冻结”了。

探索量子物理的极限

量子物理的边界是什么？全世界的科学家几十年来一直在探索这个问题。为了使量子效应在技术中发挥作用，研究人员必须确定，量子行为是否不仅可能存在于原子和分子中，还可能存在于比这些物质的基本构成单元大得多的物体中。

一个例子是直径约为一百纳米的显微玻璃球。尽管每个玻璃球都比一粒沙子小一千多倍，但在量子领域，它仍然被认为是较大的。多年来，科学家们一直在试图弄清楚这种尺寸的粒子是否能保持量子特性。苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的一个研究团队与维也纳工业大学（TU Wien）的理论学家合作，如今有了重大发现。他们证明，这种玻璃球的旋转振动不仅在用高度复杂的技术冷却到接近绝对零度时遵循量子物理学的规则，而且在普通室温下也遵循量子物理学的规则。

振动量子：只允许特定振动

来自维也纳工业大学理论物理研究所的卡洛斯·冈萨雷斯·巴列斯特罗说：“一个微观粒子总会有点颤动。这种振荡取决于温度以及粒子受环境的影响程度。”

在日常生活中，似乎任何振荡都是可能的。例如，时钟的摆锤可以摆动到任何角度，你可以让它剧烈振荡或温和振荡，随心所欲。但量子世界则不同。在能量非常低的情况下，振荡以特定的、不连续的量出现，这些量被称为“振荡量子”。

存在一种可能的最低振动，称为“基态”，随后是能量稍高一些的稍高振动（称为“第一激发态”），以此类推。这些能级之间不存在其他状态，但粒子可以同时占据多个振动态的量子组合，这是量子力学的一个关键原理。

卡洛斯·冈萨雷斯·巴列斯特罗（Carlos Gonzalez-Ballestero）说：“要使纳米粒子呈现出明显的量子特性是非常困难的。为了让粒子尽可能不受任何干扰，你必须让它漂浮起来。而且通常你还必须确保温度极低，接近绝对零度，即零下273.15摄氏度。”

隔离热粒子中的量子旋转

苏黎世联邦理工学院和维也纳技术大学现已开发出一种技术，可使纳米粒子的一个非常特定的方面达到量子物理状态，即使粒子本身处于高温无序状态。

卡洛斯·冈萨雷斯·巴列斯特罗（Carlos Gonzalez-Ballestero）解释道：“我们使用的纳米粒子不是完美的圆形，而是略呈椭圆形。当你在电磁场中持有这样一种粒子时，它便开始旋转。我们的问题是：我们能否观察到这种旋转振动的量子特性？我们能否从这种旋转运动中提取能量，直到它主要处于量子基态？”

为此使用了激光束和镜子系统。卡洛斯·冈萨雷斯·巴列斯特罗（Carlos Gonzalez-Ballestero）解释说：“激光要么为纳米粒子提供能量，要么从纳米粒子中带走能量。通过适当调整镜子的角度，你可以确保以很高的概率提取能量，而以很低的概率增加能量。因此，旋转运动的能量会减少，直到我们接近量子基态。”

然而，为了实现这一目标，必须解决一些困难的理论问题——必须正确理解和控制激光的量子噪声。

实现创纪录的量子纯度

最终，实际上可以证实，旋转可以几乎完全对应于量子力学基态的状态。令人惊奇的是，纳米粒子并未冷却下来，相反，它实际上有几百度的高温。

卡洛斯·冈萨雷斯·巴列斯特罗（Carlos Gonzalez-Ballestero）解释道：“你必须分别考虑不同程度的自由度。这样可以在不减少纳米粒子内部热能的同时，非常有效地减少旋转运动的能量。令人惊奇的是，旋转可以说被‘冻结’了，尽管粒子本身温度很高。”

尽管无需冷却，但这使得创造一种在量子物理学方面比之前用类似粒子所能达到的状态“纯净”得多的状态成为可能。“这是一种在技术上惊人地实用的推动量子物理学边界的方法，”卡洛斯·冈萨雷斯·巴列斯特罗（Carlos Gonzalez-Ballestero）说，“我们现在能够以稳定和可靠的方式研究物体的量子特性，这在以前几乎是不可能的。”

参考文献：《室温下高纯度量子光力学》，作者：洛伦佐·达尼亚、奥斯卡·施密特·克雷默、约翰内斯·皮奥特罗夫斯基、达维德·坎多利、贾亚德夫·维贾扬、奥利奥尔·罗梅罗-伊萨特、卡洛斯·冈萨雷斯-巴列斯特罗、卢卡斯·诺沃特尼、马丁·弗里默，发表于2025年8月6日，刊于《自然·物理》。数字对象唯一标识符：10.1038/s41567-025-02976-9

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