2026年4月6日——量子力学告诉我们，粒子永远无法完全静止。但它的方向能精确到何种程度？维也纳大学研究团队与维也纳理工大学、乌尔姆大学的合作者成功将悬浮二氧化硅纳米转子的两个旋转自由度冷却至量子基态。他们在《自然·物理学》发表的研究表明，光学冷却技术能将纳米颗粒取向限制在量子零点涨落范围内，这是海森堡不确定性原理所规定的不可避免的取向不确定性。这种量子极限下的定向控制为旋转物质波干涉测量和超灵敏量子扭矩传感奠定了重要里程碑。

量子极限下的旋转

日常世界中的微小粒子总因热能而持续抖动旋转，温度正是这种运动的量度。虽然经典物理认为可将粒子冷却至完全静止的理想取向，但量子力学预言即使处于绝对零度，任何粒子仍会保持有限能量并存在固有方向不确定性。

当二氧化硅纳米颗粒被超高真空中的聚焦激光捕获时，它们几乎成为完美的隔离谐振子，质心平动与角向运动同时实现理想的线性与扭转摆。当冷却至比绝对零度高不到万分之一摄氏度时，其能量变化不再连续，而是以离散的量子化能级跃迁，其最低能态受量子基态限制——即使在绝对零度仍保持有限能量。

维也纳大学Uroš Delić和Markus Aspelmeyer团队曾实现悬浮纳米颗粒的量子基态冷却（《科学》2020年）。但旋转运动的冷却更具挑战性，苏黎世联邦理工学院Lukas Novotny团队仅实现单维度冷却（《自然·物理学》2025年）。

在新实验中，由Markus Arndt（维也纳大学）、Uroš Delić（维也纳理工大学）和Benjamin Stickler（乌尔姆大学）领导的团队，用激光电场像无形弹簧般捕获并定向由两个150纳米二氧化硅球组成的纳米哑铃转子。初始状态下，被捕获的玻璃转子仍显示热致角振荡（即天平动）。光学冷却将其温度降至比绝对零度高几十微开尔文，此时能量量子化效应显现，粒子被冷却至最低能态——量子基态。该研究首次在双轴向上实现转子取向的量子极限控制，其方向存在约20微弧度的本征不确定性。

“转子尖端移动距离小于单个原子直径的百分之一，”论文第一作者Stephan Troyer解释，“这相当于将指南针指向精度控制在细菌宽度以内。”

量子世界的新窗口

这种精密旋转控制不仅是实验室纪录，更是新一代量子技术的基石。当今多数量子实验使用单原子、离子或分子，而这些二氧化硅纳米转子由约1亿个原子组成却仍受量子限制。

旋转粒子将为未来实验带来新视角：每次转动后转子回归初始取向的特性，可产生线性运动不具备的量子效应。当捕获光关闭时，纳米转子能以方向量子叠加态同时多向旋转。若不受干扰，其初始定向会完全消失，随后在特定时间后重现，形成新型旋转物质波干涉。当物体尺度缩小至烟草花叶病毒大小（比本研究轻约100倍）时，这种重现时间将可观测。

“我们二维冷却方法的优势在于跨尺度适用，”Troyer表示，“大物体更易冷却，但将技术应用于更小结构时，有望观测到这种旋转量子干涉。这是探索量子物理与日常生活现象界面的理想体系。”

该技术还推动量子增强扭矩传感发展：冷却纳米转子能探测相当于微观力旋转形式的极微弱扭矩。

技术原理：强光致冷

为实现极低温，研究人员采用相干散射冷却技术。纳米颗粒被1亿瓦/平方厘米的超强光场捕获，并将光散射至光学谐振腔。单个散射光子可携带粒子旋转的机械能量子进入光腔场，从而实现转子冷却。

研究亮点：

• 首次将纳米颗粒两个旋转轴冷却至量子基态
• 定向精度达20微开尔文温度与20微弧度取向，接近量子力学极限
• 为未来旋转物质波干涉测量及量子-经典界面研究奠定基础
• 在惯性导航与材料研究等领域的量子辅助扭矩传感具应用潜力