实验首次观察到光子冲击加热纳米粒子现象

光子与微观粒子碰撞时的微小“冲击”的变暖效应，第一次由瑞士的物理学家测量出来。这些冲击会给出一个基本的限制，即限制在光学陷阱中的粒子是如何冷却的。对于这种效应的一个更好的理解，会在实验中形成一个拥有良好量子态定义的捕获粒子。这样的粒子可以被用来研究这种状态如何在重力的影响下发展的。

　　
通过一个由激光电磁场产生的势能，一个粒子可以被限制在光阱中。受限粒子会进行一种振幅取决于它的能量的谐波运动。单独的原子和离子可以由激光单独处理，而且它们的量子态可以被光子进行操纵。然而，在大多数情况下，占主导地位的被困的宏观粒子的加热机制是一种与保持在被疏散后陷阱中的残留气体分子的热碰撞。

　　
反馈冷却

　　
在最近的实验中，以苏黎世联邦理工大学的卢卡斯·诺沃提尼为领导研究团队，利用红外激光，把半径约为50nm的二氧化硅纳米粒子限制在了光阱中，并在这之前，吸掉了几乎所有的空气创造出了超高真空室。研究人员使用一种称为反馈冷却过程，其中捕获粒子的位置收到监控，且陷阱的频率相应地进行调制，抽离粒子运动的能量并降低粒子的温度到微开尔文水平。

　　
在气压大于10e9的环境中，他们发现，他们能达到的最低温度是由压力决定的。然而，在这一点下，研究人员发现，最低可达到的温度接近一个下限，不论压力是多少。他们说，这意味着，在非常低的压力下，占主导地位的限制冷却的原因是陷阱中的电磁噪声。

　　
反冲能量

　　
为了进一步调查，研究小组在非常低的压力下关闭了反馈冷却过程，允许被困的光子自由地加热它的粒子。振荡粒子的能量状态之间的差距是大于每个单独的光子碰撞反冲能量量级，所以最简单的光子散射的能量没有影响弹性粒子。然而，有时，光子设法把纳米粒子激发到一个更高的振荡状态，逐渐升温。变暖的过程是随机的，但，通过重复多次，平均他们的结果，研究人员成功地产生光滑的变暖曲线显示，当被困在一个更高功率的激光中时，粒子加热速度更快。

　　
“这真切的表明了与热熔性的区别，后者是一种与气体分子的碰撞，”诺沃提尼说。“当然，热熔性不取决于激光功率，”研究人员还表明，升温速率与热熔性预期不同，其更强烈地依赖于粒子的体积。

　　
高处的果实

　　
该小组现在正在寻找方法，使粒子温度更低，直到它的量子性质变得真正可衡量。在这样的情况下，这将是非常有趣的，诺沃提尼说，关闭激光并跟踪粒子的行为。“我们知道粒子是在何时何处应该结束，且任何溢出，都将表明必须有附加条款，产生热或退相干或其它情况发生。”

　　
诺沃提尼说，最终的目标是看引力对粒子量子态的影响。“我们这里有一个巨大的粒子，感觉到引力：如果我们在陷阱里释放它，它会落下。我们可以在所需的量子态中制备粒子，并测量在引力场的影响下，量子态是如何演化的。我想这是研究中真正的圣杯，但这是一个挂在高处的水果！”

　　
里诺内华达大学的安得烈·杰拉奇，他没有参与这项研究，但他说这种效应一直以来就被预测到。“现如今我们已经看到了一个示范，理论与实验结论有了一种很好一致性，可以预测，目前他们所展现的，将是仅仅是一个局限水平，”他解释说。“他们的研究团队，我们的研究团队和该领域中的其它许多团队的目标之一，就是尝试冷却粒子到它的量子基态。我们仍需要克服这种机制，如今它能进行测量，使我们更好的进行理解，我认为这将引导研究人员明白什么才是真的必须做的，以规避这种限制。”

　　
这项研究已经发表在了《物理评论快报》杂志上了。

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