纳米粒子运动的测量精度超越量子极限

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。

欢迎订阅2026年《物理》杂志

《物理》是由中国科学院物理研究所和中国物理学会主办的权威物理类中文科普期刊，注重学科性与科普性相结合，秉承“轻松阅读，享受物理”的办刊理念，集学科大家之力，追踪物理学成果，服务物理学领域，促进学科交叉，让科学变得通俗易懂。已成为我国众多物理专业的大学生、研究生、物理学家案头常读的刊物之一。

(期刊订阅)

订阅方式：编辑部直接订阅优惠价240元/年，全国包邮。

方式1微信订阅

在“物理所财务处”微信公众号缴费，操作如下：公号下方“业务办理”-“订刊费”-收费部门“《物理》编辑部”，之后填写相应信息。如有问题，可添加编辑微信咨询：18627635857。

(注：仅针对需要对公开电子发票的读者，且务必提供正确的单位名称和单位税号)

方式2银行汇款

开户行：中国农业银行北京科院南路支行

户 名：中国科学院物理研究所

帐 号：11250101040005699

（注：请注明“《物理》编辑部”，汇款成功后请及时联系编辑部登记邮寄地址）

编辑部联系方式：

咨询电话：010-82649277；82649029

Email：physics@iphy.ac.cn

(赠阅活 动 ）

为答谢广大读者长期以来的关爱和支持，《物理》编辑部特推出优惠订阅活动：凡直接向编辑部连续订阅2年《物理》杂志，将获赠《岁月有情- <物理> 50周年纪念本》。内有自1972年至2022年《物理》发表的50篇精选文章信息，扫描对应的二维码，可重温经典之作，感悟物理科学的真谛，领略学科大家的风采。希望读者们爱上《物理》!