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纳米粒子运动的测量精度超越量子极限

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北京大学 徐仁新 编译自 Mark Buchanan. Physics,June 12,2026

本文选自《物理》2026年第8期

科学家提升了测量悬浮纳米颗粒运动的灵敏度,可用于搜寻暗物质。

科学家提出一个大胆的计划来探测某些未知的基本粒子:将纳米颗粒悬浮于真空,观察它受到外来粒子碰撞后获得的微弱反冲。精密测量宏观物体的运动一直是一项挑战。苏黎世联邦理工学院主导的研究团队如今取得突破,他们将测量悬浮物体的灵敏度提升了约6个数量级,并希望在未来几年内开展相关实验以搜寻未知粒子。


别动!图中小绿点是个直径约100 nm的二氧化硅纳米颗粒,悬浮于肉眼不可见的红外激光束中。研究人员在检测该颗粒运动时,达到了新的灵敏度水平

搜寻超出粒子物理学标准模型的粒子需要前所未有的实验精度。方法之一是使用激光束让小颗粒悬浮于真空,将它与周围的噪声隔离,若它罕见地跟外来粒子(如暗物质)碰撞,人们即可测量它受到的微弱冲击。

该团队的研究生Skrabulis说,检测对象越大,就越有可能跟未知粒子相互作用。但尺寸越大的物体,“量子零点”噪声也越强,于精密测量不利。因此,宏观物体的测量精度较差。

人们往往利用“放大技术”测量单个离子(甚至由150个离子组成的晶体)的运动。这一技术涉及量子压缩,一个变量(如动量)量子噪声的压低,以另一变量(如位置)量子噪声的增强为代价。通过操控量子压缩,可以放大物体的反冲效应,更易于检测。

多年来,Skrabulis所在团队一直在改进纳米颗粒的悬浮技术。鉴于各项技术的升级,团队已经能够将纳米颗粒冷却至最低量子态,从而控制动量的不确定度至最低水平。他们现在还掌握了调控悬浮纳米颗粒的放大技术,并成功检测到低于量子噪声的反冲信号。

该团队将直径100 nm的二氧化硅纳米颗粒捕获于超真空、极低温(5.6 K)的激光束中,俘陷的纳米颗粒如大理石在光滑的山谷内那样来回滚动。通过传统的压缩技术,研究人员可暂时降低势阱梯度,相当于加宽了山谷。随着势阱的增宽,纳米颗粒的位置不确定度增加,据不确定性原理,其动量不确定度则降低。

纳米颗粒携带少量电荷,因此人们可通过向激光阱施加 1 μs的电压脉冲来模拟纳米颗粒的微弱反冲,该冲击略微增加了纳米颗粒的动量。接下来,他们让系统演化四分之一周期,再迅速恢复至俘获时的原始状态。这一反压缩过程逆转了测量误差的分配,其结果导致动量的改变被放大至噪声水平之上。若不进行这种动量放大,则需要重复200次测量并作平均处理才能在量子噪声水平上识别出反冲动量。采用反压缩技术后,一次测量即可实现。


宇宙的黑暗面。图片从左往右展示宇宙演化的模拟:随着时间的推移,早期的暗物质逐渐成团并形成丝状结构。这个模拟结果跟天文观测一致,但各种直接搜寻暗物质粒子的实验都无果而终。悬浮的纳米颗粒或可当作高灵敏的暗物质探测器

里约热内卢天主教大学的Guerreiro称“这令人兴奋”。他说:“量子调控悬浮颗粒的技术进步助力实验成功,这也将引发若干基础科学实验以及计量学应用。”Skrabulis进一步指出,除直接探测暗物质粒子外,该技术还可用于检测核衰变中发射的中微子以及罕见粒子。

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