懸浮光力學：從基礎到應用

緣起薛定諤貓

光力學是過去十餘年光學與量子物理領域非常熱門的研究方向。研究光力學的動機主要有兩方面，首先，光與微納米力學振子耦合起來，可以靈敏地讀出力學振子運動狀態，從而實現對微小的力、位移、質量等物理量的高精度的測量。另外一方面，光又可以冷卻和操控力學振子的運動，直到它達到量子區域，製備力學振子的宏觀量子疊加態，從實驗上探索經典物理與量子物理的邊界。

薛定諤貓理想實驗示意圖

人們公認，「薛定諤的貓」是最著名的宏觀量子疊加態悖論。自從1935年薛定諤提出薛定諤貓佯謬之後，物理學家一直在尋找處於薛定諤貓態的宏觀物體，至今已經找了80多年了。雖然不可能一步到位的找到處於生與死疊加態的宏觀量子系統，但我們可以在電子，原子，小分子中看到薛定諤貓態。直到最近幾年人們才在含有幾百個原子的複雜大分子中找到了薛定諤貓態存在的證據。尋找了這麼多年，才只有如此小的進展，要在趨近於宏觀的量子系統中找到薛定諤貓態似乎是不可能的。

物理學家存在的價值，就是讓「不可能」變為可能。如果我們仔細的考察這個問題，就會發現，阻止我們找到薛定諤貓的主要困難來自於量子系統與周圍環境的相互作用所帶來的退相干效應，而且退相干速率會隨著粒子數的增加而急劇增大。於是在我們嘗試觀察某個系統是否處於量子疊加態之前，它已經塌縮到了某個經典的狀態了。要解決這個問題，必須要找到一個完美的孤立系統，把系統與環境的耦合降到最低，降低退相干，保證我們可以觀測到薛定諤貓態的存在。要是我們可以把光力學實驗中的納米力學振子用光躡懸浮在高真空中，我們就可能把它周圍環境隔離開來。

光懸浮生命體，如病毒的量子疊加態（摘自New J. Phys. 12, 033015 (2000））

早在1970年，Arthur Ashkin就已經用激光配合重力把微米玻璃球懸浮[1]在真空中。1986年，他在此技術的基礎上與朱棣文等人合作發明了光躡[2]，在水中把納米到10微米的介電粒子用激光束縛起來。此技術後來在冷原子物理裡面產生了廣泛的應用。2010年，德國馬普所的Romero-Isart等人[3]，與加州理工的D. E. Chang等[4]同時各自獨立他提出，用光鑷吧100納米大小的介電粒子懸浮在真空中，通過與光學腔模的耦合，實現對其質心運動的量子基態冷卻，進而製備宏觀量子疊加態。納米粒子中的原子數目有108個以上，可用於製備接近宏觀尺度的薛定諤貓態，甚至製備納米尺度的病毒生命體的量子疊加態，如上圖所示。同年，美國德州大學奧斯丁分校的李統藏等人，用光鑷在空氣中囚禁了微米玻璃珠，並直接測量了此玻璃珠做布朗運動的瞬時速度[5]，並驗證了麥克斯韋速度分布律。一年後，李統藏實現了反饋冷卻，將其質心運動溫度從室溫降低到1.5毫開[6]。這拉開了懸浮光力學的研究大幕。

驗證基礎物理理論

懸浮光力學研究從一開始，就瞄準基本的物理原理與理論，比如說如何製備大質量物體的量子疊加態，觀測其物質波干涉，進而更加深刻的理解經典與量子的邊界問題。實現宏觀量子態的第一步，就是冷卻系統的熱運動直到量子區域。這分為兩步，第一步是反饋冷卻，理論上可以把熱聲子冷卻到10左右，第二步是通過腔邊帶冷卻到量子基態。第一步已經實現了，瑞士蘇伊士理工大學Lukas Novotn組已把頻率為140kHz的光懸浮納米粒子冷卻[7]到100微開量級，對應於10個聲子的量級。預計第二步邊帶冷卻到量子基態也會在近幾年實現。

與此同時，人們也在理論上探索製備宏觀量子疊加態更高效的方案。2011年，德國馬普所的Romero-Isart等提出[8]基於光學腔與納米粒子耦合實現等效的物質波雙縫干涉實驗。2013年，清華大學的尹璋琦等人提出[9]通過梯度磁場耦合光束縛納米金剛石與其內部的氮-空位中心電子自旋，如下圖所示。此訪客可製備質心位置的薛定諤貓態，並實現物質波的干涉。同年，英國倫敦大學學院的Bose組進一步提出[10]在這個系統中實現物質波的Ramsey干涉，可將粒子質心熱運動對干涉的影響消除掉。

摘自Phys. Rev. A

88, 033614 (2013)

在這些理論方案的啟發下，最近幾年有多個研究組在開展懸浮納米金剛石色心的實驗。納米金剛石已經可以被懸浮在真空中，並觀察到[11]色心的電子自旋共振譜。還有實驗組把摻雜了稀土元素離子的納米晶體光懸浮在真空，然後通過激光照射稀土離子，利用其與晶體內部聲子的耦合，把納米晶體內部的溫度從室溫冷卻[12]到100K以下。

為了製備出更加穩定的宏觀量子疊加態，進而完成長時間的物質波干涉實驗，歐洲的50多位科學家聯合起來，組成了MAQRO[13]項目組，提出利用歐洲航天局預計於2025年發射的航空器，到拉格朗日點（日地引力平衡點）開展光懸浮納米粒子的物質波干涉實驗，有望驗證引力導致的波函數塌縮等量子引力效應。如下圖所示，由於拉格朗日點的引力近乎為零，且宇宙中的真空度很高，是理想的實驗環境，物質波干涉可以持續很長時間。

發射衛星去拉格朗日點上做實驗（摘自EPJ Quantum Technology (2016) 3:5）

從光懸浮微納米粒子直接測量了布朗運動瞬時速度，進而驗證麥克斯韋速度分布律開始，懸浮光力學系統就被廣泛地用於驗證熱力學與統計物理，特別是非平衡態統計物理理論。由於光懸浮的粒子尺度在納米級別，因此它可以用來實現納米尺度的局域溫度測量[14]。最近，普渡大學李統藏研究組與北京大學全海濤組合作，基於此系統做了一系列實驗，驗證[15]了非平衡統計物理的微分漲落定理和推廣了的Jarzynski恆等式，並實現費曼棘輪實驗[16]。

邁向量子精密測量

作為光力學系統，光懸浮的微納米粒子同樣被應用於精密測量，比如說測量微小的力或者加速度。到目前為止，人們已經已在室溫下利用此系統實現zN精度[17]的力的精密測量。這意味著此系統可以實現對單個分子質量的精密測量，並對微小的力，比如說Casmir力和Casmir力矩進行精密測量[18]。對加速度的測量精度，已經達到了10-9g[19]量級，這對於長時間自主精密導航技術具有重要的應用價值。

與通常的光力學系統不同，光懸浮系統的囚禁頻率完全可調，而且其六個運動自由度均可與光耦合，被冷卻，調控和精準的測量。因此，它可以同時提取多個自由度的運動信息。2016年，普渡大學李統藏組與清華大學合作，在實驗上首次觀測[20]到了光懸浮納米金剛石的扭動模式。此系統在室溫下對扭矩的測量精度有望達到N.m，可用於直接測量單個電子乃至單個核自旋在通常磁場（如0.1T）下產生的扭矩。2018年，有多個實驗組在此系統中實現[21]了GHz的機械轉子，有望用於實現高精度的陀螺儀。

冷原子晶元重力儀，摘自Physics

9, 131 (2016)

隨著實驗技術的發展，我們正接近實現對此系統的量子基態冷卻，以及量子疊加態的製備。因此，基於量子效應的精密測量技術也有望在此系統中得到應用。比如說，基於物質波干涉，利用類似原子干涉儀的技術，有望實現[22]高精度的重力儀。由於納米粒子的物質波波長遠小於冷原子干涉儀，可更精準地測出重力導致的相位移動，進而實現更加精確的重力儀（相對精度超過10-10）。

參考文獻：

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編輯： 方 軻

審核：顏學俊

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