PRL特別推薦：超高靈敏度的納米顆粒扭動模式光力學

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光力學是近年來興起的一個研究方向，它研究光與力學振子的相互作用，在精密測量和量子物理的基本問題等領域有很重要的應用，比如經典與量子的邊界問題。人們對利用光力學製備宏觀機械振子的量子疊加態有很濃厚的興趣，這可以幫助我們研究引力導致的波函數塌縮，乃至生命體的量子疊加態。對於振子的質心平動自由度來說，已經有很多實驗實現了量子疊加態的製備與觀測。而宏觀機械振子的轉動或扭動自由度與光的相互作用，還很少見到實驗和理論的研究。

清華大學尹璋琦博士帶領本科生與普渡大學李統藏研究組合作，發現了超高靈敏度的納米顆粒扭動光力學行為，文章以"Torsional optomechanics of a levitated nonspherical nanoparticle"為題，今天在PRL發表，並被編輯亮點顯示。美國物理學會（APS）旗下Physics雜誌，並以"Twisting in thin air"為題，對其進行專題介紹。

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最近美國普渡大學李統藏研究組做了一個實驗，在光束縛納米金剛石系統中觀察到了扭動自由度的運動。我們作為理論合作者，研究了用光學腔對這個模式進行邊帶冷卻的效率與極限，估算了扭動模式的衰減速率，並給出量子基態冷卻的條件。我們共同撰寫了一篇實驗結合理論分析的論文，這篇論文剛剛在最新的一期《物理評論快報》上發表，併入選了編輯推薦論文和APS旗下Physics雜誌的亮點介紹。

李統藏組在實驗中發現，光束縛的納米金剛石系統的聲子譜中，除了100kHz附近的一個尖峰信號（對應於平動自由度）外，在1 MHz附近還有一個尖峰信號。為了解釋這個尖峰，他們又做了一系列的實驗。比如說改變氣壓，他們發現不同氣壓下，這個尖峰的頻率基本不變。由於轉動的頻率與空氣的阻尼有關係，因此尖峰頻率與氣壓不變的特性基本排除了轉動這個可能性。他們又改變了光束縛的功率，發現這個尖峰的頻率與功率的平方根成正比，同時平動自由度的共振頻率與這個未知信號的頻率之比是不變的。這正好與理論上算出的扭動模式頻率與束縛激光功率之間的關係一致。不僅如此，他們還測量了兩個相互垂直的平動模式的衰減率，發現它們是不相等的。如果納米金剛石一直在旋轉的話，相互垂直的平動模的衰減率肯定是相等的。因此可以斷定，這個未知的尖峰信號就是來自扭動模式。

同一個光勢阱中，扭動模比平動模的頻率通常要大一個量級。理論上分析發現，只要納米粒子不是球對稱的，扭動的頻率就會與平動的頻率解除兼并。如果我們用橢球來進行理論建模，會發現當長軸比短軸長一倍時，扭動與平動模頻率的比值最大，可以達到近三十倍。我們把光力學中邊帶冷卻的方案應用到這個系統中，提出用光學腔模與扭動模式耦合起來，進而冷卻扭動模到量子基態附近。通過理論計算，我們發現，由於扭動模的衰減率跟平動模式的衰減差不多，且扭動模與腔模單聲子耦合強度和平動模與腔模耦合差不多，因此冷卻扭動模式到量子基態應該會更加容易。

圖1：左圖為納米金剛石的掃描電鏡圖像，長度單位為100納米，右圖為用腔模來冷卻懸浮納米粒子的扭動模的理論方案。

在光力學的研究中，到目前為止，幾乎所有的實驗都只涉及到平動模式與光場的耦合，只有極少數幾個實驗看到了轉動模。而通過實驗直接看到扭動模與光場耦合的，據我們所知，這是第一個實驗。特別要指出的是，這個實驗沒有什麼特殊的設計，只需要用線偏振的激光抓住非球形的納米介電顆粒即可。在線偏振的光勢阱中，納米粒子的長軸將會自發地指向線偏振的方向，並會在這個方向附近扭動。我們相信這個發現對未來研究宏觀系統的量子疊加態，以及對測量單個電子甚至原子核自旋帶來的微小扭矩都有重要的價值。

我的學生馬越是這篇論文的第二作者，對這個工作的理論部分做出了重要貢獻。馬越是清華大學物理系基科班的本科生，當年放棄保送機會，考入清華，只為有選擇自己喜歡專業的自由，而不被保送所束縛。她從大二開始一直跟我做科研訓練。大四下學期剛開始，當她進行本科畢業論文選題時，正好李統藏教授告訴我，他們在實驗上看到了扭動模，希望大家一起合作進行理論分析。於是我就建議馬越把這作為她的本科畢業論文的題目。她的進度遠遠超出了我們的預計，做了一個多月就把理論分析給算完了，這也就成了她畢業論文的一部分。目前，馬越已經從清華大學物理系畢業，即將前往英國帝國理工學院念理論物理的博士。

馬越在英國巨石陣

投稿後，三位審稿人一致認為這個工作非常重要。二十多年前，人們在強激光脈衝光場中的分子系統中看到了類似扭動態，並實現了對它的操控。我們的這個實驗在遠大於分子的納米金剛石系統中看到了類似的現象。目前觀察到的還是經典扭動，未來如果能在這個系統看到量子化的扭動態，那就跟小分子的擺動態更加像了。

而APS旗下Physics雜誌稱，這一體系可以用於超高靈敏地探測作用在單粒子上的扭矩。國際著名的物理新聞網站phys.org也對這一工作做了報道，稱其為量子力學基本問題研究提供了新的工具。在接受知社採訪時，李統藏教授介紹道：

我們發現一個用激光束縛在真空中的納米粒子將是一個非常靈敏的納米扭秤。扭秤對近代物理的發展曾經起到了關鍵作用。比如描述帶電粒子之間相互作用的庫侖定律是通過扭秤研究發現的；牛頓的萬有引力常數最早是由卡文迪許用扭秤測定的；廣義相對論的質量等效原理也是通過扭秤實驗驗證的。我們理論計算髮現，懸空納米粒子探測扭矩的靈敏度可以比卡文迪許用的扭秤高20個量級，比目前最好的納米扭秤高8個量級。因為超高的靈敏度，懸空納米粒子將可以用來測量單個電子或單個原子核在磁場中受到的扭矩，並有很多其他應用。

物理學的理論研究有兩類，一類是預言新的實驗現象，一類是解釋新的實驗現象。我們做的這個工作是典型的解釋實驗的理論，這也是我第一次參與這種類型的研究。我從事的量子信息的理論研究，以往的工作大都是設計理論方案，預言新的實驗現象。這次我能有機會直接接觸到新的實驗數據，用物理模型進行分析與解釋，進而設計新的理論方案，實在是難得的經歷。

李統藏教授,2004年本科畢業於中國科學技術大學，2011年博士畢業於美國德克薩斯大學奧斯汀分校。2011－2014年在美國加州大學伯克利分校做博士後。2014年至今在美國普渡大學「物理和天文系」以及「電子工程和計算機系」任助理教授，博士生導師。李統藏在2016年獲得了美國國家科學基金會傑出青年教授獎（NSF CAREER Award）。他還曾獲得Springer博士論文獎，中國「國家優秀自費留學生獎學金」，美國光學學會基金會「傑·貝內特紀念獎」等獎項。在Science， Nature Physics， Nature Communications， Physical Review Letters 等著名雜誌發表論文二十餘篇，在Springer出版專著一部。李統藏在2010年和合作者用激光光鑷首次實驗測量了懸浮粒子布朗運動的瞬時速度，完成了這個愛因斯坦在一百多年前認為是不可能完成的任務。該工作被Science雜誌推薦為高中及大學教學內容。2012年和尹璋琦等合作者首次提出利用超冷束縛離子實現時空晶體的實驗方案，被Nature雜誌選為研究亮點，並被Discovery傳播公司拍攝成紀錄片。2015年和尹璋琦合作提出活體微生物的量子態疊加，糾纏和隱形傳態方案，引起學術界和媒體的廣泛關注。

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