使粒子在真空中悬浮

大物体和单原子的悬浮已成为科学和工程领域广泛应用的技术。在过去的几年里，许多研究人员已经开始探索一个新的领域:在真空中悬浮纳米和微粒子——仍然小于一根头发的直径，但由数十亿个原子组成。

高精度操作和测量这些物体的平移和旋转的能力已经产生了一个新的实验平台，为基础和应用研究提供了独特的机会。

举几个例子:悬浮物体对外力和加速度的高灵敏度，正在推动传感器的发展和对新物理学的探索，以及对影响这些粒子运动的摩擦力和力的完全控制，以及对随机热力学假设的测试。此外，通过创造超高真空，摩擦和噪声可以降低到基本的最小值，这不仅为量子传感和探测铺平了道路，也为探索迄今为止尚未探索的大质量状态下的宏观量子叠加铺平了道路。”奥地利科学院量子光学和量子信息研究所和因斯布鲁克大学理论物理系的Oriol Romero-Isart说。

冷却到量子基态

2010年，量子光学技术首次被提出，它是一种利用光学腔将悬浮纳米粒子的运动冷却到量子状态的方法。从那时起，这些建议已经通过实验发展起来，并由基于光学、电学和磁力的控制机制的实现加以补充。到目前为止，基于光腔和主动反馈的冷却方案都成功地将介质悬浮的纳米粒子的运动冷却到量子基态，为尚未探索的量子物理学开辟了道路。

物理学、材料科学和传感器

纳米物体在高真空中悬浮，提供了以前无法实现的与环境的隔离，为研究和应用提供了新的机会。卡洛斯·冈萨雷斯-巴莱斯特罗解释说:“目前的工具箱允许通过光学、电和磁相互作用使任何种类的纳米物体悬浮并控制它们，包括磁铁、金属、含有色心的钻石、石墨烯、液滴，甚至超流体氦。”因斯布鲁克大学理论物理系博士后研究员。“这些相互作用也提供了一种将内部自由度(如声子、磁子、激子)与良好控制的外部自由度(平移、旋转)耦合的方法。”

悬浮系统是材料科学的洁净试验台，可以在极端条件下探测甚至设计物质。此外，悬浮系统是研究非平衡物理的理想平台。将控制扩展到悬浮粒子的所有自由度可以减少噪声源和消相干。它将为宏观量子物理的新领域(例如制备由数十亿原子组成的物体的宏观量子叠加)和在尚未探索的领域探索弱力(例如暗物质模型预测的力)打开大门。最后，将悬浮系统用于超灵敏的力检测也为商业传感应用带来了机遇，包括重力仪、压力传感器、惯性力传感器和电/磁场传感器。

更多信息:Carlos Gonzalez-Ballestero等人，悬浮动力学:真空中微观物体的悬浮和控制， 科学（2021). DOI: 10.1126 / science.abg3027． www.science.org/doi/10.1126/science.abg3027