Cooling and delocalizing thermal oscillators in hollow-core fibers using optical fringes

在量子物理学的寂静领域中，科学家们长期以来一直寻求控制宇宙中最微小的物体：单个原子和粒子。通过用光捕捉这些粒子，研究人员可以使它们冷却到几乎不再运动的状态，进入一种其行为受量子力学奇特规律而非日常生活中熟悉规则支配的状态。这一被称为光力学（optomechanics）的领域，使科学家能够以惊人的精度测量力，从而有可能探测到最微弱的引力低语或空间最细微的变化。然而，一个主要的挑战仍然存在：如何不仅通过减缓粒子的运动，而且通过以特定方式拉伸其运动来控制这些粒子，从而使其对周围世界的感知更加敏锐。想象一个被困在微小的、无形的可见光笼中的粒子；目标是让该粒子扩散开来，变得“去定域化”（delocalized），即其位置变得更加不确定，这种状态可能会彻底改变我们感知宇宙的方式。

一支研究团队现在通过在空心光纤中捕捉一个微型玻璃珠并以前所未有的控制力操纵其运动，在这项探索中取得了重大进展。科学家们使用了一种特殊的纤维，即空心光子晶体光纤，它就像一根引导光的长而空的管子。在这个管子内部，他们利用两束沿相反方向传播的激光所产生的干涉图样，捕捉了一个直径约为234纳米的二氧化硅纳米颗粒。这两束光创造了一系列明暗相间的条纹，非常类似于两颗石子投入池塘时产生的涟漪，而粒子就捕捉在其中一条纹路中。通过仔细调节激光，团队首先冷却了粒子在所有方向上的运动，将其温度降至接近绝对零度，具体约为7.8开尔文，这仅比最冷的可能温度高出几度。

一旦粒子趋于平静，研究人员便开始着手拉伸其运动，他们称之为“去定域化”的过程。他们采用了两种截然不同的方法来实现这一点，两者都涉及在不改变激光功率的情况下操纵光阱。在第一种方法中，他们快速旋转了光束的偏振方向。这一动作有效地削弱了光阱，导致粒子突然发现自己处于一个更浅的势阱中。由于粒子在光阱变弱时正以特定的速度运动，这种突然的变化导致其位置显著扩散。研究人员观察到，与初始的冷态相比，这种技术使粒子的位置不确定性增加了近12分贝。至关重要的是，粒子的行为保持了可预测性，并遵循标准的钟形曲线分布，这意味着它仍处于线性物理学的范畴内。

第二种方法被证明更加有效，将去定域化的极限推向了更深处。研究人员并没有仅仅是削弱光阱，而是利用快速相位控制，将粒子从一条亮条纹移动到一条暗条纹。在暗条纹中，光学力发生了反转，产生了一种排斥势，将粒子从中心推开而非将其束缚在那里。这种反转的力起到了双曲加速器的作用，导致粒子的位置呈指数级扩散。通过以精确的节奏在亮条纹和暗条纹之间往复穿梭，团队得以在多个周期内累积这种效应。这一过程使位置方差相对于初始状态增加了13.23分贝。这种程度的去定域化是非常显著的，代表了与冷却态相比，在力测量灵敏度上实现了四倍半的提升。

该研究还探讨了当粒子被进一步去定域化，甚至被推向光阱边缘，即力不再完美平滑时的情形。在这种机制下，粒子的运动变得非高斯化（non-Gaussian），这意味着其位置分布产生了偏离标准钟形曲线的长尾分布。研究人员成功地模拟并观察了这些复杂的非线性动力学过程，证实了即使在这些极端条件下，他们的理论模型也能准确描述粒子的行为。这种生成并控制此类复杂状态的能力，为传感技术以及利用更大尺度的物体测试量子物理边界开辟了新的大门。

这项工作的意义超越了实验室范围。通过证明这些技术可以在光纤内部实施，研究人员建立了一个通用的平台，用于将量子传感集成到紧凑、稳固的系统中。这种无需辅助陷阱或带电粒子的生成高度去定域化状态的能力，使得该方法对于未来的应用特别具有前景。尤其是“暗纹技术”，提供了一种抑制通常困扰此类实验的热效应的方法，从而允许更长时间的观察和更精确的测量。最终，这项研究为利用捕获的纳米颗粒进行物质波干涉测量以及测试宏观量子叠加态提供了清晰的路径，使奇妙的量子力学世界离日常生活的尺度又近了一步。