Một nanorotor silica bị mắc kẹt bởi một nhíp quang học Ảnh: Đại học Vienna/Stephan Troyer

Một nhóm các nhà vật lý đã đẩy giới hạn kiểm soát lượng tử bằng cách làm mát chuyển động quay của một vật thể nano đến trạng thái năng lượng thấp nhất có thể.

Cơ học lượng tử cho chúng ta biết rằng không có hạt nào có thể hoàn toàn bất động. Nhưng làm thế nào chính xác định hướng của nó có thể được kiểm soát? Các nhà nghiên cứu tại Đại học Vienna, làm việc với các đồng nghiệp tại TU Wien và Đại học Ulm, hiện đã làm mát chuyển động quay của một máy chạy nano silica bay lên đến trạng thái mặt đất lượng tử của nó trong hai mức độ tự do định hướng.

Viết trong Vật lý tự nhiên, nhóm nghiên cứu cho thấy rằng làm mát quang học có thể hạn chế định hướng của hạt trong các giới hạn được đặt ra bởi các dao động không điểm lượng tử. Những biến động này thể hiện sự không chắc chắn không thể tránh khỏi theo nguyên tắc không chắc chắn của Heisenberg.

Đạt đến mức độ kiểm soát này đánh dấu một bước quan trọng đối với giao thoa giữa các sóng vật chất quay và các phép đo mô-men xoắn lượng tử rất nhạy cảm.

Xoay ở giới hạn lượng tử

Trong điều kiện hàng ngày, các hạt nhỏ liên tục di chuyển và quay do năng lượng nhiệt, và nhiệt độ phản ánh lượng chuyển động của chúng. Vật lý cổ điển cho thấy rằng, về lý thuyết, các hạt có thể được làm mát cho đến khi chúng dừng hoàn toàn và giữ một hướng cố định. Tuy nhiên, cơ học lượng tử đặt ra giới hạn nghiêm ngặt hơn. Ngay cả ở mức không tuyệt đối, các hạt vẫn giữ được một lượng năng lượng tối thiểu và không thể được căn chỉnh hoàn hảo.

Khi các hạt nano silica được giữ nguyên vị trí bằng các chùm tia laser tập trung chặt chẽ trong một máy hút bụi cực cao, chúng hoạt động giống như các bộ dao động hài hòa gần như lý tưởng. Chúng dao động cả ở vị trí và trong vòng quay của chúng, tương tự như một hệ thống kết hợp một con lắc tuyến tính với chuyển động xoắn, hoặc xoắn.

Khi nhiệt độ giảm xuống dưới một phần mười phần nghìn độ C trên không tuyệt đối (0,0001 °C hoặc khoảng 0,00018 °F), sự thay đổi năng lượng không còn xảy ra suôn sẻ. Thay vào đó, hệ thống di chuyển giữa các mức năng lượng rời rạc. Mức thấp nhất trong số các mức này là trạng thái mặt đất lượng tử, vẫn chứa một lượng năng lượng nhỏ nhưng không thể tránh khỏi.

Các thí nghiệm trước đây đã làm mát các hạt nano bay lên đến trạng thái mặt đất này, bao gồm cả công việc của Uroš Delić và Markus Aspelmeyer tại Đại học Vienna (Khoa học 2020). Tuy nhiên, việc kiểm soát chuyển động quay đã khó khăn hơn. Cho đến nay, nó chỉ đạt được dọc theo một trục duy nhất bởi một đội do Lukas Novotny dẫn đầu tại ETH Zürich (Nat. Phys. 2025).

Đạt được sự liên kết lượng tử hai chiều

Trong nghiên cứu mới nhất, dẫn đầu bởi Markus Arndt (Đại học Vienna), Uroš Delić (TU Wien) và Benjamin Stickler (Đại học Ulm), các nhà nghiên cứu đã sử dụng một cánh quạt hình quả tạ nhỏ được làm bằng hai quả cầu silica, mỗi quả có đường kính 150 nm (150 nanomet hoặc khoảng 5,9 × 10 −6 inch). Điện trường của laser giữ và sắp xếp các hạt, hoạt động như một lò xo vô hình.

Lúc đầu, rôto bị mắc kẹt vẫn cho thấy chuyển động quay nhiệt, được gọi là libration. Khi làm mát quang học được áp dụng, nhiệt độ của nó giảm xuống chỉ còn vài chục microkelvin trên số không tuyệt đối. Tại thời điểm này, các hiệu ứng lượng tử chiếm ưu thế, và hệ thống đạt đến trạng thái năng lượng thấp nhất.

Bằng cách làm mát vòng quay dọc theo hai trục, nhóm nghiên cứu đã đạt được sự liên kết giới hạn lượng tử theo nhiều hướng lần đầu tiên. Ngay cả ở cấp độ này, hướng của rôto không thể được cố định hoàn hảo. Hướng của nó vẫn chưa chắc chắn khoảng 20 μrad (20 microradians, hoặc khoảng 0.0011 độ).

“Đầu của rôto sau đó di chuyển ít hơn một phần trăm đường kính của một nguyên tử”, Stephan Troyer, tác giả chính của nghiên cứu cho biết. “Điều này giống như một kim la bàn được định hướng tốt hơn chiều rộng của vi khuẩn.”

Một cửa sổ mới vào thế giới lượng tử

Mức độ kiểm soát này không chỉ là một cột mốc kỹ thuật. Nó mở ra cánh cửa cho các loại thí nghiệm lượng tử mới. Hầu hết các hệ thống lượng tử hiện tại liên quan đến các nguyên tử, ion hoặc phân tử riêng lẻ. Ngược lại, các máy nano silica này chứa khoảng 100 triệu nguyên tử và vẫn hiển thị hành vi lượng tử.

Chuyển động quay giới thiệu các hiệu ứng không xuất hiện trong các hệ thống tuyến tính. Sau khi xoay vòng đầy đủ, đối tượng trở lại cùng một hướng. Nếu đèn bẫy bị tắt, rôto có thể đi vào một chồng chất lượng tử, quay hiệu quả theo mọi hướng có thể cùng một lúc.

Theo thời gian, sự liên kết ban đầu của hạt lan ra và trở nên không xác định, sau đó xuất hiện trở lại một cách có thể dự đoán được. Quá trình này, được gọi là sự hồi sinh lượng tử, tạo thành cơ sở cho giao thoa giữa các sóng vật chất quay. Quan sát hiệu ứng này có thể yêu cầu các hạt nhỏ hơn, có khả năng tiếp cận kích thước của một loại virus khảm thuốc lá, nhẹ hơn khoảng 100 lần so với rôto được sử dụng ở đây.

“Vẻ đẹp của phương pháp làm mát 2D của chúng tôi là nó hoạt động trên các quy mô,” Stephan Troyer nói. “Làm mát dễ dàng hơn cho các vật thể lớn hơn nhưng áp dụng các kỹ thuật của chúng tôi vào các cấu trúc nhỏ hơn mà chúng tôi hy vọng có thể quan sát được sự can thiệp lượng tử quay này. Đây là một hệ thống thú vị để thăm dò giao diện giữa vật lý lượng tử và các hiện tượng trong cuộc sống hàng ngày của chúng ta”.

Cách tiếp cận này cũng có thể thúc đẩy cảm biến lượng tử. Một máy nướng nano làm mát có thể hoạt động như một máy dò cực kỳ nhạy cảm của các mô-men xoắn nhỏ, tương đương với các lực quay của các lực rất nhỏ.

Cách thức hoạt động: ánh sáng mạnh có thể làm mát chuyển động

Để đạt được nhiệt độ thấp như vậy, các nhà nghiên cứu sử dụng một phương pháp gọi là làm mát tán xạ mạch lạc. Hạt nano bị mắc kẹt trong một trường ánh sáng rất cường độ cao, khoảng 100 MW / cm2 (100 megawatt mỗi cm vuông, hoặc khoảng 6,45 × 108 watt mỗi inch vuông) và tán xạ ánh sáng vào bộ cộng hưởng quang học.

Mỗi photon phân tán có thể loại bỏ một đơn vị năng lượng quay từ hạt và chuyển nó vào trường quang học. Lặp lại quá trình này đều đặn làm giảm năng lượng của rôto, làm mát nó xuống trạng thái mặt đất lượng tử./.