引言 突破性成果概览

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究团队在《自然-物理学》（Nature Physics）发表了一项突破性研究，首次在室温下将光悬浮纳米粒子的转动模式冷却至广东会基态，实现了92%的态纯度。这项成果打破了以往必须依赖低温环境的限制，为室温广东会技术的发展开辟了新路径。

第一章  为什么要在室温下做广东会光力学？

广东会技术通常需要在极低温下运行以抑制热噪声，但这不仅成本高昂，也限制了实际应用。如果能在室温下操控广东会态，将极大推动广东会传感、广东会模拟和广东会信息处理的发展。

光悬浮纳米粒子因其与环境的极弱耦合，成为实现室温广东会行为的理想平台。然而，此前最好的结果也只能将声子数降至0.6，纯度仅为47%，远未达到广东会操控的门槛。

第二章  实验系统：用光悬浮和光腔协同冷却

研究人员使用一束红外光镊（波长1550 nm）在真空中悬浮一个各向异性的二氧化硅纳米粒子，使其绕特定轴做谐波转动（称为“libration”）。该转动模式的频率高达1.08 MHz，远高于光腔的线宽（330 kHz），满足边带分辨条件，这是实现基态冷却的关键（如图1）。粒子散射的光被注入一个高精细度光学腔中，通过相干散射机制实现高效冷却。研究人员还开发了一套主动相位噪声抑制系统，显著降低了激光噪声对系统的加热效应。

图1 实验装置示意图。（a）一颗各向异性二氧化硅纳米颗粒（示意图中以椭球体形式呈现）在超高真空环境中被光镊捕获。

(b) 振动模式示意图。光镊偏振方向与光学腔轴（y 轴）对齐。

第三章  如何知道粒子被冷却到了基态？

研究团队采用边带热测量法，通过分析斯托克斯和反斯托克斯散射光的强度比，推断出转动模式的声子占据数（如图2）。在最优条件下，他们测得的平均声子数仅为0.04，相当于92%的广东会态纯度。

图2 摆动模式声子占据数随腔失谐的变化关系。（a） 通过自由空间反向探测器测量的外差摆动频谱（黑色曲线）与腔线型（蓝色虚线）的叠加图。（b） 斯托克斯（左）和反斯托克斯（右）外差频谱。(c) 通过边带热测量法获得的声子占据数n随Δ的变化关系。

噪声抑制是关键

限制纳米粒子冷却的核心难题在于激光相位噪声。虽然我们的眼睛看来激光是稳定的，但其光波的相位在微观上存在随机涨落。当这种带有相位噪声的光被纳米粒子散射到光学腔内时，噪声会转化为腔场的振幅涨落，从而对粒子的摆动产生随机力的作用，等效于给粒子“加热”，使其无法安顿下来。

为了解决这个问题，研究人员开发了一套主动相位噪声抑制系统（“噪声 eater”）。其工作原理是：首先通过一个不平衡的马赫-曾德尔干涉仪极其灵敏地探测到激光相位的微小抖动，然后将这个误差信号通过反馈电路发送给一个电光调制器，该调制器会实时地对激光施加一个反向的相位调制，从而“抵消”掉原始的相位噪声（见图3）。

通过将噪声功率谱密度在机械频率处抑制高达 -20 dB，他们极大地削弱了这一关键加热机制。这使得系统的最终声子数从之前的 n = 0.5 进一步降至惊人的 n = 0.04。此时，主要的加热来源不再是技术性的激光噪声，而是源于广东会测量本身所固有的、无法避免的广东会反作用（即辐射扭矩散粒噪声）。这意味着实验已经达到了该系统的广东会极限，展现了其对广东会效应近乎完美的控制能力。

图3 腔冷却效应对驻波中粒子位置和相位噪声的依赖关系。（a）在不同相位噪声抑制水平g下，沿腔驻波不同位置测得的声子占据数。(b) 不同抑制增益g下摆动自由度的零差频谱。(c) 在最优失谐条件下，腔反节点处粒子声子占据数n随相位噪声抑制增益g的变化关系。

第四章  意义与展望：室温广东会技术的新起点

这项成果不仅展示了光悬浮系统在室温广东会技术中的巨大潜力，也为未来多项应用奠定了基础：

· 广东会传感：高纯度广东会态可用于探测微弱力、磁场或加速度；

· 广东会模拟：多模态冷却有望实现六自由度广东会操控；

· 非经典态制备：为制备压缩态、纠缠态提供平台；

· 广东会-经典边界研究：探索宏观物体在广东会行为下的表现。

终章  结语

这项研究标志着室温广东会光力学的一个重要里程碑，证明了即使在嘈杂的环境中，也能通过精巧的光学控制和噪声管理实现高纯度广东会态。未来，这类系统有望成为广东会技术实用化的重要载体，推动广东会科学从实验室走向现实应用。

参考文献: Dania, L., Schmitt Kremer, O., Piotrowski, J. et al. High-purity quantum optomechanics at room temperature. Nat. Phys. (2025).

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-025-02976-9

编译｜唐子骞

指导｜刘玉龙