如果你把一个微小的纳米粒子悬浮在真空中，并用一束激光“托住”它，这个粒子并不会完全静止。除了来回的平动，它还会发生非常微弱的转动，就像一个看不见的微型“陀螺”，在空间中轻轻晃动。

在经典物理的世界里，这种晃动似乎再普通不过。但在量子物理的视角下，这种转动却可能成为一个重要的研究对象——它不仅可以揭示量子力学在宏观尺度上的表现，还可能成为新一代量子传感技术的核心。

过去几年，科学家已经能够将纳米粒子的平动自由度冷却到量子基态。然而，一个更具挑战的问题始终存在：能否将“转动”这一自由度，也冷却到量子极限？

近期，一项发表在《Nature Physics》的研究给出了肯定的答案。该工作由来自奥地利维也纳大学的Markus Arndt团队牵头，并联合德国及欧洲多家研究机构合作完成。研究人员首次实现了两个正交转动模式的同时冷却，使一个纳米转子的空间取向接近量子极限。这一成果标志着纳米机械系统在多自由度量子控制方面迈出了关键一步。

第一章 为什么“转动量子化”这么重要？

对于真实物体来说，除了位置之外，还存在“朝向”的信息，也就是转动自由度。对于光悬浮纳米粒子，这种转动表现为围绕平衡方向的小幅摆动（libration）。

如果能够将这种转动冷却到量子基态，将为宏观量子叠加、量子测量以及高精度传感提供重要平台。然而，转动自由度通常是多维耦合的系统，这使得精确控制极具挑战。

第二章 实验系统：用光操控一个纳米转子

研究人员利用一束高度聚焦的激光构建“光学镊子”，将一个纳米尺度的二氧化硅粒子悬浮在真空中。与此同时，粒子散射的光被耦合进一个高精细度光学腔，从而形成一个典型的光力学系统（见图1a）。

由于粒子形状并非完全对称，它会在光场中自动对齐到某一稳定方向。然而，这种对齐并不意味着完全静止——粒子仍然会围绕平衡位置发生微小角度的摆动，这种受限的转动被称为摆动转动（libration）。

要实现这一目标，研究人员需要将粒子的转动能量不断转移到光场中。这一过程依赖于光学腔增强的相干散射冷却机制，即通过选择性增强“带走能量”的散射过程，使系统逐步降温。

该工作的核心创新在于：利用光的偏振自由度，将两个正交转动模式分别耦合到不同的腔模，实现解耦与独立冷却。同时，研究团队开发了主动反馈系统，有效抑制激光相位噪声，将其降低超过100倍，使系统能够接近量子极限（见图1b）。

图1 光阱中的纳米转子。

a，一根二氧化硅纳米转子被捕获在由沿x轴传播并沿x轴偏振的光形成的光阱中，该光阱通过高数值孔径透镜聚焦。多偏振方向的后向散射光被收集并通过外差探测器 1 进行监测。纳米转子相干散射的陷阱光填充了一个由两面反射镜构成、沿x方向放置的光学腔。正交偏振的腔模通过偏振分束器（PBS）分离，并在外差探测器 2 和 3 中进行监测。插图：在定义参考系中的摆动模式α,β和γ。

b，对后向散射光（1，绿色）以及沿y轴（2，橙色）和z轴（3，紫色）偏振的腔模进行外差探测得到的功率谱密度S_het，展示了所有自由度。这些谱图是在陷阱–腔失谐量Δ/2π≈800kHz下测得的，并相对于散粒噪声水平S_{shot noise}归一化，此处以外差频率ω_het为横坐标显示。在不同腔模中可观察到摆动模式α和β，它们的频率间隔约为8.2 kHz。注意，双折射分裂使得腔模的频率排列方式为：较高频率的腔模与较高频率的摆动α模式耦合，较低频率的腔模与较低频率的β模式耦合。

第三章 实验结果：接近量子极限

在单一转动模式下，两个失谐下平均占据数达到n≈0.94和n≈0.21，后者对应约83%的基态概率（见图2）。

图2 一维基态冷却。

a，在Δ₁/2π=986kHz和Δ₂/2π=1,042kHz条件下，斯托克斯（红色）和反斯托克斯（蓝色）散射过程的功率谱密度。利用峰高的不平衡来提取占据数n。

b，不同占据数n下的斯托克斯（红色）和反斯托克斯（蓝色）散射率，显示它们分别正比于n+1和n。

c–e，拟合得到的机械频率（c）、线宽（d）以及获得的占据数（e中的黑色数据点）随光阱–腔失谐量Δ的变化关系。b–e中的误差棒表示单次拟合的1σ不确定度，且对于大多数数据点而言，误差棒小于标记点的大小。绿色区域表示全局拟合的1σ不确定度，该全局拟合考虑了线宽、耦合、偏移频率、加热率以及相位噪声占据数的不确定度。

灰色阴影区域标记了基态布居概率大于50%的区域。

在二维运动情况下，两个模式分别达到n≈0.65和n≈0.54，均接近量子基态（见图3）。

图3 α和β 摆动运动的基态冷却。

a，探测器 1 信号的功率谱密度（绿色点）显示了在腔模的三个不同失谐量 (Δ₁,Δ₂,Δ₃)=2π×(1,043,984,968)kHz下，α模式（上图）和β模式（下图）被冷却到基态，以及同时接近α和β模式基态（中图）的结果。腔的传递函数由每个图底部的紫色渐变表示，其中心频率及1σ不确定度用线状标记显示。我们通过拟合得到的斯托克斯（红色）和反斯托克斯散射（蓝色）之间的不平衡来提取模式占据数。

b，提取的β摆动（灰色三角形）和α摆动（黑色圆圈）的声子占据数随光阱–腔失谐量Δ的变化关系。α模式和β模式占据数的理论预测分别以浅绿色和深绿色区域表示。绿色阴影区域和误差棒表示1σ不确定度。灰色阴影区域标记了基态布居概率大于 50%

粒子的角度涨落被压缩至约17微弧度，接近量子零点涨落极限，意味着其空间取向受到量子不确定性主导。

第四章 可重复的加载与冷却：让实验走向实用

要实现真正有意义的量子控制，实验必须能够稳定、快速地加载不同形状的纳米转子，并重复进行基态冷却。为此，研究团队开发了一套基于激光诱导解吸（Laser-Induced Desorption, LID）的加载技术。

如图4a所示，一个脉冲纳秒激光被聚焦在涂有二氧化硅纳米颗粒的样品上。样品表面的硅吸收层（仅50nm厚）在激光脉冲下迅速蒸发，将纳米颗粒喷射出来。这些颗粒随后被光阱捕获。通过扫描电子显微镜观察发现，样品中除了单球颗粒，还存在大量哑铃形、三聚体以及更复杂的团簇（见图4a）。

为了快速判断被捕获转子的几何形状，研究团队利用前向散射光的分束探测方案（图4a中的探测器4），测量颗粒在真空中的机械阻尼率γ_x和γ_y。不同几何形状的颗粒具有特征性的阻尼比，通过与模拟值对比（见图4b），可以快速识别出当前捕获的是单球、哑铃还是线性三聚体。

图4c展示了约 28 小时内完整的实验压力变化轨迹。每次成功完成一个新颗粒的基态冷却，都以绿色实线标记。从颗粒喷射到实现基态冷却，最快的一个循环仅用时58分钟（主要由抽真空时间决定）。灰色虚线则标记了颗粒意外丢失或主动释放的事件。

在这一系列实验中，研究团队成功对六个不同形状的纳米转子（包括团簇、三个哑铃和两个线性三聚体）实现了α摆动模式的基态冷却或接近基态冷却（见图4d）。这一结果充分证明了该平台具有出色的可重复性和鲁棒性，为未来高通量的量子测量和干涉实验奠定了基础。

图4 可重复的基态冷却。

a，真空下通过激光诱导解吸加载纳米转子的实验示意图。脉冲纳秒激光聚焦在涂有SiO₂ 纳米颗粒的样品上；使用119nm颗粒制备的样品的扫描电子显微镜图像（插图）显示了哑铃形、三聚体以及单球和团聚团簇。喷射出的纳米颗粒被光阱捕获。通过前向散射中的分束探测方案（4，蓝色），提取机械阻尼率来分析颗粒的几何形状。

b，对一个团簇（i）、三个哑铃形颗粒（ii、iii、v）和两个线性三聚体（iv、vi）测得的阻尼率γ_x和γ_y，以及针对不同几何形状的模拟值。

c，加载和基态冷却过程中的压力轨迹（绿色实线）。已喷射出的颗粒以灰色虚线标记。

d，测得的α摆动模式的占据数。误差棒表示1σ不确定度。灰色阴影区域标记了基态布居概率大于50%的区域。

第五章 研究意义与未来展望

这项成果标志着量子控制从单一自由度迈向多维系统，为未来实现六自由度量子操控奠定基础。

在应用方面，该系统有望用于超灵敏力与扭矩测量、量子传感以及转动干涉实验。

未来，研究人员还希望探索更小粒子、转动叠加态以及生物分子的量子行为。

终章 结语

从控制“位置”到控制“方向”，量子光力学正在不断拓展人类对微观世界的操控能力。一个在量子叠加中旋转的“纳米陀螺”，或许将成为未来量子技术的重要基石。

参考文献：

Quantum ground-state cooling of two librational modes of a nanorotor, Nature Physics (2025)