奈米振盪器：前所未見地揭開光與物質的隱藏之舞

佛羅倫斯的科學家打造出一款裝置，能讓他們並行研究量子物理與古典物理。運用被雷射光束捕捉的懸浮奈米球，他們得以觀察物質從未被見過的行為方式。此一突破有機會助於解開量子世界的神秘面紗。

近期發表於科學期刊《Optica》的一項研究，介紹了一款劃時代的實驗裝置，成功跨越古典物理與量子物理之間的鴻溝。這項創新的儀器，使研究人員能同時觀察和研究來自這兩個領域的現象。

此裝置在佛羅倫斯研發而成，是國家量子科學與技術研究所（NQSTI）團隊合作的成果。參與其中的專家來自佛羅倫斯大學物理與天文學系、國家光學研究所（CNR-INO）、歐洲非線性光譜實驗室（LENS），以及國家核子物理研究所（INFN）佛羅倫斯分所。

隨著科學家對物質的研究尺度越來越小，物質的行為與我們在巨觀世界所觀察到的截然不同。此一轉變正是量子物理發揮作用之處，它能幫助我們洞悉最微小層次的物質本質。直至目前，古典行為和量子行為一直是分開研究的。然而，CNR-INO研究人員打造的新裝置，讓科學家能在同一實驗中同時探究這兩種特性。

這款儀器的運作原理，是利用高度聚焦的雷射光束使奈米尺度的物體懸浮。此一稱為「光鑲陷」的過程，利用了光捕捉和操控微觀粒子的能力。這項技術最早於1980年代被發現，物理學家亞瑟·阿什金（Arthur Ashkin）大幅推進了它的發展，他也因在光鑷方面的開創性研究，榮獲2018年諾貝爾物理學獎。

由弗朗西斯科·馬林（Francesco Marin，來自佛羅倫斯大學和CNR-INO）領導的義大利團隊，運用此技術，以不同顏色的光束同時捕捉一對玻璃奈米球。在光鑲陷的作用下，這些球體會以非常特定的頻率，繞著它們的平衡點振盪，從而得以觀察古典和量子行為，其中量子行為往往極為違反直覺。

馬林表示：「這些奈米振盪器是少數能讓我們以高度可控的方式，研究巨觀物體行為的系統之一。」這些球體帶有電荷且彼此相互作用，因此一個球體的運動軌跡，強烈依賴於另一個球體。這為在古典和量子領域研究集體相互作用的奈米系統開闢了道路，從而能以實驗方式探索這兩個世界之間微妙的界限。

參考文獻：F. Marino、Q. Deplano、F. Marin、A. Pontin和A. Ranfagni所著的《Coulomb coupling between two nanospheres trapped in a bichromatic optical tweezer》，發表於2024年12月19日的《Optica》。DOI：10.1364/OPTICA.538760

這項研究之所以能順利進行，也要歸功於大學與研究部運用歐盟資金，作為「#NextGenerationEU」計劃（PNRR-國家復甦與韌性計劃）一部分資助的兩項行動：國家量子合作科學與技術研究所（NQSTI），以及光子與量子科學整合基礎設施行動（IPHOQS）基礎設施。