科学家将高温玻璃纳米粒子旋转冻结至创纪录的92%量子纯度

这一突破可能使探索更大、更复杂系统（从生物结构到工程设备）中的量子效应变得容易得多，而无需庞大的低温装置。

当你从原子和分子转向高温下更大的物体时，量子物理学的奇妙规则几乎总是失效。

这是因为物体越大、温度越高，就越难阻止它与周围环境相互作用，而这种相互作用通常会抹去微妙的量子行为。

然而，一项新研究成功实现了某种严重突破这些限制的成果。该研究表明，一个微小的玻璃球（其尺寸仍比一粒沙子小一千多倍，但在量子尺度上已是庞然大物）的旋转运动可以被冷却至接近量子物理学所允许的最安静状态，纯度达到约92%，即使粒子本身仍处于数百摄氏度的高温状态。

这是科学家们首次在无需将整个物体冷却至接近绝对零度的情况下达到如此纯粹的量子态，为那些曾被认为只有在深度冷冻实验室中才可能进行的实验打开了大门。

研究作者指出：“我们的室温实验所达到的纯度超过了在低温环境下机械夹持振荡器的性能，为在室温下实现高纯度量子光力学建立了平台。”

针对物体特定运动的巧妙捷径

通常，要在比分子大的物体中观察到量子行为，研究人员必须采取极端措施：将粒子悬浮在真空中以屏蔽外部干扰，并将其周围环境冷却至接近-273.15°C，使其运动变得如量子规则所允许的那样有序。

即便如此，这也很棘手。这是因为量子世界中的运动是量子化的 —— 它只能以特定的能量块（称为振动量子）发生。存在一个称为基态的最低能量模式，一个能量稍高的第一激发态，等等。尽管粒子可以存在于这些状态的混合态中。让大粒子达到基态一直是一个里程碑式的目标。直到现在，这都需要将一切冷却到极低的极端温度。

研究作者采用了一个巧妙的捷径。他们没有试图冷却粒子的整个内部能量（其能量远大于其运动的能量），而是仅仅针对一种特定的运动：旋转。

利用受控激光和镜面系统来耗散旋转能量

研究人员使用的纳米粒子并非完美的球形，而是略微拉伸的椭圆形。当被束缚在电磁场中时，这样的粒子会自然地围绕一个固定的方向旋转，就像指南针围绕北极摇摆一样。

通过精确控制激光和镜面系统，形成一个高精细度的光学谐振腔，研究团队可以影响这种摇摆。其中的诀窍在于，激光既可以向旋转中注入能量，也可以从中抽取能量。

通过仔细调整镜面，使得能量被抽走的可能性远大于能量被注入，科学家们几乎耗尽了所有的旋转能量。在此过程中，他们还必须考虑并控制来自激光的量子噪声（随机波动），否则这些噪声可能会破坏这一精妙的过程。

这导致旋转运动被“冻结”在一个极其接近量子基态的状态，残余能量仅为0.04个量子，量子纯度约为92%，尽管粒子内部的温度仍有数百摄氏度。

使量子系统更具实用性的关键

这一成果打破了量子研究中一个长期存在的障碍。它表明，研究物体的量子特性并不需要将整个物体冷却到超低温度。

相反，通过分别处理不同类型的运动（如旋转），可以有选择地将系统的某些部分带入量子领域，而其余部分则保持高温和混乱状态。

这种方法可能使探索更大、更复杂系统（从生物结构到工程设备）中的量子效应变得容易得多，而无需庞大的低温装置。

然而，这项工作专注于精心挑选的纳米粒子中的一种特定运动。因此，它尚不是适用于每个大型物体的通用方法。未来的研究可能会探索同样的原理是否能够控制其他运动，或者是否适用于不同的形状和材料。

该研究已发表在《自然·物理学》杂志上。