世界上最薄的镜子” 探测宏观世界量子

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樓主

發表於 2021-1-2 14:56:48

观测宏观物体的量子效应是物理学一大热点，新材料有望让物理学家在室温下进行此类实验。

图为激光耦合薄膜的艺术假想图。周期性的纹路使得薄膜有高反射率，而极小的厚度使得它可以有超低的机械损耗。图片来源：Felix Fricke

像电子和原子那样微小的物体，它们的行为遵循量子力学，有着叠加态、纠缠和隐形传输等量子效应。宏观物体（比如咖啡杯）能否表现出这种量子行为，是现代科学最为有趣的问题之一。而在观测室温宏观物体量子效应这一领域，来自代尔夫特理工大学的科学家有了新进展。他们创造了一种高反射率的薄膜，肉眼可见，并且可以在室温下振动而几乎没有能损。这种薄膜将成为观测宏观物体量子效应的有力候选者。该团队在《物理评论快报》上发表了相关结果。

“想象你推了一把操场上的秋千。现在再想象下，你的这一推可以让秋千不停歇地摇十年。我们在硅片上创造了一个类似的毫米尺度的秋千。”代尔夫特理工大学科维理纳米科学研究所的Simon Gröblacher教授说。

“为了达到这个目的，我们在硅片上沉积了超薄的陶瓷膜。这样，我们可以在毫米尺度的附着薄膜上创造出百万磅/平方英寸的拉伸应力，这相当于10000倍的汽车轮胎压强，而这薄膜的厚度只相当于DNA宽度的8倍多一点”，这篇论文的第一作者Richard Norte解释道，“它们存储的巨大能量和超薄的几何尺度，意味着这些薄膜能够在时间极长的振动过程中只损失非常小的能量。”

为了用激光有效地监测薄膜的振动，这些薄膜需要有极高的反射率。而对于如此薄的结构，要想实现这点，就要通过在薄膜上刻蚀微观纹路来制作一种超材料（meta-material）。“我们实际上做出了最薄的镜子，它有着超过99%的反射率。事实上，这些薄膜是世界上在室温下最好的压力传感器，它们灵敏到足以测量两个相距100千米的人之间的引力，” Richard Norte表示。

“高反射率再加上极端绝热，薄膜的这些特性使得我们第一次可以克服在室温下探测宏观物体量子效应的障碍，”Gröblacher说。因为即使非常小的振动也足以加热和破坏宏观物体脆弱的量子特性（这个过程称为退相干），所以研究者依赖低温实验系统来冷却他们的量子设备，并隔绝来自周围环境的热量。对物理学家而言，如何创造一种在常温下能够抵御退相干的量子振荡器，仍是一个难以实现的壮举。

从基本理论的角度来看，这十分有趣。量子力学最诡异的预言之一是物体能够同时出现在两个地方。这样的量子“叠加态”现在已经在电子或原子这样极小的层面上被证实，我们现在知道量子理论完美地适用于这个尺度。

但是量子力学也告诉我们，类似的规则对于宏观物体也应该适用:一个咖啡杯可以同时在桌上和洗碗机里，或者薛定谔的猫可以处在既死又活的量子叠加态上。而咖啡杯既干净又满是污垢，猫既死又活，这并不是我们日常生活中见到的情景。在实验中证明一只猫在室温下既死又活仍然是量子力学的一个有待解决的问题。这项研究的进展或许使得我们最终能够在日常生活的尺度和温度下观测到“量子猫”。