悬浮纳米粒子控制通过反馈实现低声子占有

在纳米尺度上操控物体面临着巨大的挑战，尤其是在控制和冷却方面。最近的研究详细介绍了一种利用相干反馈冷却悬浮纳米粒子的新方法，该方法克服了基于测量的控制系统固有的局限性。该技术保留了系统内微妙的量子关联，从而能够更精确、更可调地控制其运动。苏黎世联邦理工学院机械与工艺工程系纳米光子系统实验室的Bruno Melo、Daniël Veldhuizen、Grégoire FM Tomassi、Nadine Meyer和Romain Quidant在题为《通过无需测量的相干反馈冷却光学悬浮纳米粒子》的论文中发表了他们的研究成果，展示了声子占据率达到数百个声子，并概述了一个提高运动基态性能的理论框架。

悬浮纳米粒子的主动控制技术正在迅速发展，展现出对量子现象日益复杂的操控和探索。研究人员目前正在寻求对悬浮粒子所有六个自由度（三个平移和三个旋转）进行全面控制，Pontin等人（2023）和 Gao等人（2024）的研究证明了这一点，他们证明了这些维度上的冷却，甚至旋转运动也能冷却到极低的声子数。声子代表振动能量的量子，实现低声子数意味着系统非常冷，因此更易于控制。Bang等人（2020）通过成功冷却纳米哑铃进一步扩展了这种控制，展示了管理更复杂粒子几何形状和改进精确热管理技术的能力。这些进展为探索基础物理学和利用纳米级机械系统开发新技术奠定了基础。

近期进展聚焦于微型化和片上集成，旨在实现实际应用和便携式系统。Melo等人（2024）演示了直接在芯片上实现真空悬浮和运动控制，这代表着迈向可扩展和可部署设备的关键一步。同时，研究人员采用先进技术来提高控制精度并优化系统性能。Lepeshov等人（2023）和 Afridi等人（2025）分别利用超材料和超光学来操纵光力并精细控制纳米粒子。超材料是人工合成的材料，具有自然界中不存在的特性，而超光学则专注于利用这些材料控制光。Lee等人（2025）积极设计微粒以优化捕获和检测能力，展示了一种积极主动的系统性能提升方法，并突破了可实现的极限。

实现终极控制的一个重大限制因素是激光噪声，它会在用于悬浮和操控粒子的光阱中引入波动。为了解决这个问题，研究人员正在开发减轻这些影响并降低温度的技术。一种新方法涉及相干反馈控制，不同于传统的基于测量的反馈系统。这种方法可以更精确地操控和保持量子相干性，这是探索量子现象的关键要求。通过仔细调整反馈相位和延迟，研究人员可以探索纳米粒子的动力学，并制定达到运动基态（最低能量状态）的策略。

研究人员正在积极探索该技术在操控复杂自由度（例如旋转运动和内部振动）方面的潜力。与这些实验同时开发的理论框架，有助于深入了解激光噪声带来的局限性，并指导克服这些挑战的策略制定。通过最大限度地降低噪声，可以充分发挥相干反馈的潜力，突破冷却性能的极限，并开辟新的研究途径。

这项工作为探索基础物理、开发超灵敏传感器和构建量子技术奠定了基础。能够如此精确地操控悬浮纳米粒子，代表着纳米力学和量子控制领域的重大进步，正在进行的研究也正在积极探索这项技术的新应用。Romero-Isart等人（2010 年）、Harris等人（2014 年）和 Monteiro等人（2017 年）的基础性工作持续支撑着这些进展，为这个快速发展的领域奠定了理论和实验基础。