新设备可以帮助回答有关量子物理学的基本问题

研究人员开发出一种新设备，可以测量和控制激光束中捕获的纳米粒子，具有前所未有的灵敏度。这项新技术可以帮助科学家用亚原子分辨率研究宏观粒子的运动，这是一种由量子力学规则而不是经典物理学规则控制的尺度。

来自奥地利维也纳大学和荷兰代尔夫特理工大学的研究人员在光学学会的高影响研究期刊Optica上报告了他们的新设备。虽然该方法已用于被困原子，但该团队是第一个使用它来精确测量由数十亿个原子组成的光学捕获纳米粒子的运动。

“从长远来看，这种类型的设备可以帮助我们从基础层面了解纳米材料及其与环境的相互作用，”维也纳大学的研究小组负责人Markus Aspelmeyer说。“这可能会通过利用其纳米级特征来开辟新的材料定制方式。

“我们正在努力改进设备，将我们目前的灵敏度提高四个数量级，”Aspelmeyer继续说道。“这将使我们能够利用空腔与粒子的相互作用来探测甚至控制粒子的量子态，这是我们的最终目标。”

进行微小的测量

这种新方法使用一种称为光子晶体腔的光导纳米级器件来监测悬浮在传统光阱中的纳米粒子的位置。光学捕获使用聚焦激光束在物体上施加力以将其保持在适当位置。这项技术被2018年诺贝尔物理学奖授予先驱亚瑟·阿什金所认可。

“我们知道量子物理定律适用于原子的规模和分子的规模，但我们不知道物体有多大，仍然表现出量子物理现象，”Aspelmeyer说。“通过捕获纳米粒子并将其耦合到光子晶体腔，我们可以分离出比原子或分子更大的物体并研究其量子行为。”

通过使用比光的波长窄的长光子晶体腔，新器件实现了高灵敏度。这意味着当光进入并沿着纳米级腔行进时，其中一些漏出并形成所谓的消逝场。当物体靠近光子晶体放置时，消逝场发生变化，这又改变了光以可测量的方式传播通过光子晶体的方式。

“通过检查光子晶体中的光如何响应纳米粒子而变化，我们可以推断出纳米粒子随着时间的推移以非常高的分辨率定位，”该论文的第一作者Lorenzo Magrini说。

收集每个光子

新设备几乎检测到每个与被捕获的纳米粒子相互作用的光子。这不仅有助于实现极高的灵敏度，而且还意味着与大多数光子丢失的其他方法相比，新方法使用的光学功率要低得多。

在真空条件下，研究人员证明，对于每个检测到的光子，灵敏度比用于测量光阱中纳米粒子位移的传统方法高两个数量级。他们还报告说，颗粒与腔体消逝场之间相互作用的强度比先前报道的高三个数量级。更强的相互作用意味着光子腔可以检测到有关粒子运动的更多信息。

与世界上其他几个研究小组类似，研究人员正致力于实现量子测量。他们现在正在改进设置并努力提高设备的灵敏度。这将允许在更强的真空条件下进行测量，这增加了颗粒与环境的隔离。除了研究量子力学之外，新装置还可用于精确测量微观长度尺度中可能出现的加速度和其他力。