将细菌大小的镜子冷却到足够低的温度，它将开始颤动，但这并非源于热，而是源于其量子态——一种所谓的叠加态，其中物体既在振动又处于静止。除了在大型、复杂的物体中创造量子态的实验性刺激之外，这种超冷物体可以为极其精密的传感器奠定基础，用于称量单个原子。三项新的研究表明，研究人员在努力制造几乎不颤动的镜子方面取得了进展。
量子叠加态自然地发生在微小的原子世界中，但随着物体变大，热和其他外部影响更容易破坏这些脆弱的状态。研究人员已经设计出将纳米尺寸的薄片冷却到几乎量子效应占据主导地位的程度的策略。微米尺寸的镜子是一个更大的挑战，因为它们含有更多的原子，每个原子都可能是干扰源。但原则上，仅靠光就可以冷却这种装置。镜子可以充当一种柱塞，盖住充满光子的腔体。如果镜子的振动恰好使其向外移动，一些光子就会逸出腔体，并且当腔体内部的压力减小时，柱塞会感受到由此产生的吸力。如果镜子移入腔体，压力就会增加并将其推回。这两种过程都会抑制镜子的运动并使其保持静止。
诀窍是让光子在腔体内部停留足够长的时间，以便物理学家可以调整它们的频率，并使他们能够以正确的方式推拉镜子，就像在适当的时刻推动秋千一样。在11月2日出版的《自然》杂志上，研究人员展示了两种实现这一目标的方法：第一种方法中，一个法国小组和一个奥地利小组选择构建高反射腔体，每个腔体的一端都由一个充当高质量镜子的柔性梁盖住。两个团队都将他们的设备从室温冷却到 10 开尔文或更低。在第二种方法中，来自加州大学圣巴巴拉分校的一个小组用一个类似跳板的悬臂梁代替了梁，该悬臂梁固定着一面镜子。通过将激光束射入腔体，物理学家监测了悬臂梁的位置。然后，他们将此信息反馈给第二个激光器，该激光器通过在其基座附近施加压力来主动抑制悬臂梁的运动。结果：低至 0.135 开尔文。
关于支持科学新闻报道
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻报道 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和思想的具有影响力的故事的未来。
“尽管发现有趣的量子力学效应可能还有一段距离，但这项研究标志着朝着这个方向迈出了有希望的一步，”慕尼黑路德维希-马克西米利安大学的物理学家 Khaled Karrai 在一篇随附的社论中写道。Karrai 指出，观察量子叠加态将需要冷却到千分之几开尔文或更低。他指出，目前热量可能正在通过镜子的柔性附件和光吸收渗入。