實驗首次觀察到光子衝擊加熱納米粒子現象

光子與微觀粒子碰撞時的微小“衝擊”的變暖效應，第一次由瑞士的物理學家測量出來。這些衝擊會給出一個基本的限製，即限製在光學陷阱中的粒子是如何冷卻的。對於這種效應的一個更好的理解，會在實驗中形成一個擁有良好量子態定義的捕獲粒子。這樣的粒子可以被用來研究這種狀態如何在重力的影響下發展的。

　　
通過一個由激光電磁場產生的勢能，一個粒子可以被限製在光阱中。受限粒子會進行一種振幅取決於它的能量的諧波運動。單獨的原子和離子可以由激光單獨處理，而且它們的量子態可以被光子進行操縱。然而，在大多數情況下，占主導地位的被困的宏觀粒子的加熱機製是一種與保持在被疏散後陷阱中的殘留氣體分子的熱碰撞。

　　
反饋冷卻

　　
在最近的實驗中，以蘇黎世聯邦理工大學的盧卡斯·諾沃提尼為領導研究團隊，利用紅外激光，把半徑約為50nm的二氧化矽納米粒子限製在了光阱中，並在這之前，吸掉了幾乎所有的空氣創造出了超高真空室。研究人員使用一種稱為反饋冷卻過程，其中捕獲粒子的位置收到監控，且陷阱的頻率相應地進行調製，抽離粒子運動的能量並降低粒子的溫度到微開爾文水平。

　　
在氣壓大於10e9的環境中，他們發現，他們能達到的最低溫度是由壓力決定的。然而，在這一點下，研究人員發現，最低可達到的溫度接近一個下限，不論壓力是多少。他們說，這意味著，在非常低的壓力下，占主導地位的限製冷卻的原因是陷阱中的電磁噪聲。

　　
反衝能量

　　
為了進一步調查，研究小組在非常低的壓力下關閉了反饋冷卻過程，允許被困的光子自由地加熱它的粒子。振蕩粒子的能量狀態之間的差距是大於每個單獨的光子碰撞反衝能量量級，所以最簡單的光子散射的能量沒有影響彈性粒子。然而，有時，光子設法把納米粒子激發到一個更高的振蕩狀態，逐漸升溫。變暖的過程是隨機的，但，通過重複多次，平均他們的結果，研究人員成功地產生光滑的變暖曲線顯示，當被困在一個更高功率的激光中時，粒子加熱速度更快。

　　
“這真切的表明了與熱熔性的區別，後者是一種與氣體分子的碰撞，”諾沃提尼說。“當然，熱熔性不取決於激光功率，”研究人員還表明，升溫速率與熱熔性預期不同，其更強烈地依賴於粒子的體積。

　　
高處的果實

　　
該小組現在正在尋找方法，使粒子溫度更低，直到它的量子性質變得真正可衡量。在這樣的情況下，這將是非常有趣的，諾沃提尼說，關閉激光並跟蹤粒子的行為。“我們知道粒子是在何時何處應該結束，且任何溢出，都將表明必須有附加條款，產生熱或退相幹或其它情況發生。”

　　
諾沃提尼說，最終的目標是看引力對粒子量子態的影響。“我們這裏有一個巨大的粒子，感覺到引力：如果我們在陷阱裏釋放它，它會落下。我們可以在所需的量子態中製備粒子，並測量在引力場的影響下，量子態是如何演化的。我想這是研究中真正的聖杯，但這是一個掛在高處的水果！”

　　
裏諾內華達大學的安得烈·傑拉奇，他沒有參與這項研究，但他說這種效應一直以來就被預測到。“現如今我們已經看到了一個示範，理論與實驗結論有了一種很好一致性，可以預測，目前他們所展現的，將是僅僅是一個局限水平，”他解釋說。“他們的研究團隊，我們的研究團隊和該領域中的其它許多團隊的目標之一，就是嚐試冷卻粒子到它的量子基態。我們仍需要克服這種機製，如今它能進行測量，使我們更好的進行理解，我認為這將引導研究人員明白什麽才是真的必須做的，以規避這種限製。”

　　
這項研究已經發表在了《物理評論快報》雜誌上了。

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