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光力学是近年来兴起的一个研究方向，它研究光与力学振子的相互作用，在精密测量和量子物理的基本问题等领域有很重要的应用，比如经典与量子的边界问题。人们对利用光力学制备宏观机械振子的量子叠加态有很浓厚的兴趣，这可以帮助我们研究引力导致的波函数塌缩，乃至生命体的量子叠加态。对于振子的质心平动自由度来说，已经有很多实验实现了量子叠加态的制备与观测。而宏观机械振子的转动或扭动自由度与光的相互作用，还很少见到实验和理论的研究。
清华大学尹璋琦博士带领本科生与普渡大学李统藏研究组合作，发现了超高灵敏度的纳米颗粒扭动光力学行为，文章以"Torsional optomechanics of a levitated nonspherical nanoparticle"为题，今天在PRL发表，并被编辑亮点显示。美国物理学会（APS）旗下Physics杂志，并以"Twisting in thin air"为题，对其进行专题介绍。
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最近美国普渡大学李统藏研究组做了一个实验，在光束缚纳米金刚石系统中观察到了扭动自由度的运动。我们作为理论合作者，研究了用光学腔对这个模式进行边带冷却的效率与极限，估算了扭动模式的衰减速率，并给出量子基态冷却的条件。我们共同撰写了一篇实验结合理论分析的论文，这篇论文刚刚在最新的一期《物理评论快报》上发表，并入选了编辑推荐论文和APS旗下Physics杂志的亮点介绍。
李统藏组在实验中发现，光束缚的纳米金刚石系统的声子谱中，除了100kHz附近的一个尖峰信号（对应于平动自由度）外，在1 MHz附近还有一个尖峰信号。为了解释这个尖峰，他们又做了一系列的实验。比如说改变气压，他们发现不同气压下，这个尖峰的频率基本不变。由于转动的频率与空气的阻尼有关系，因此尖峰频率与气压不变的特性基本排除了转动这个可能性。他们又改变了光束缚的功率，发现这个尖峰的频率与功率的平方根成正比，同时平动自由度的共振频率与这个未知信号的频率之比是不变的。这正好与理论上算出的扭动模式频率与束缚激光功率之间的关系一致。不仅如此，他们还测量了两个相互垂直的平动模式的衰减率，发现它们是不相等的。如果纳米金刚石一直在旋转的话，相互垂直的平动模的衰减率肯定是相等的。因此可以断定，这个未知的尖峰信号就是来自扭动模式。
同一个光势阱中，扭动模比平动模的频率通常要大一个量级。理论上分析发现，只要纳米粒子不是球对称的，扭动的频率就会与平动的频率解除兼并。如果我们用椭球来进行理论建模，会发现当长轴比短轴长一倍时，扭动与平动模频率的比值最大，可以达到近三十倍。我们把光力学中边带冷却的方案应用到这个系统中，提出用光学腔模与扭动模式耦合起来，进而冷却扭动模到量子基态附近。通过理论计算，我们发现，由于扭动模的衰减率跟平动模式的衰减差不多，且扭动模与腔模单声子耦合强度和平动模与腔模耦合差不多，因此冷却扭动模式到量子基态应该会更加容易。
图1：左图为纳米金刚石的扫描电镜图像，长度单位为100纳米，右图为用腔模来冷却悬浮纳米粒子的扭动模的理论方案。
在光力学的研究中，到目前为止，几乎所有的实验都只涉及到平动模式与光场的耦合，只有极少数几个实验看到了转动模。而通过实验直接看到扭动模与光场耦合的，据我们所知，这是第一个实验。特别要指出的是，这个实验没有什么特殊的设计，只需要用线偏振的激光抓住非球形的纳米介电颗粒即可。在线偏振的光势阱中，纳米粒子的长轴将会自发地指向线偏振的方向，并会在这个方向附近扭动。我们相信这个发现对未来研究宏观系统的量子叠加态，以及对测量单个电子甚至原子核自旋带来的微小扭矩都有重要的价值。
我的学生马越是这篇论文的第二作者，对这个工作的理论部分做出了重要贡献。马越是清华大学物理系基科班的本科生，当年放弃保送机会，考入清华，只为有选择自己喜欢专业的自由，而不被保送所束缚。她从大二开始一直跟我做科研训练。大四下学期刚开始，当她进行本科毕业论文选题时，正好李统藏教授告诉我，他们在实验上看到了扭动模，希望大家一起合作进行理论分析。于是我就建议马越把这作为她的本科毕业论文的题目。她的进度远远超出了我们的预计，做了一个多月就把理论分析给算完了，这也就成了她毕业论文的一部分。目前，马越已经从清华大学物理系毕业，即将前往英国帝国理工学院念理论物理的博士。

马越在英国巨石阵
投稿后，三位审稿人一致认为这个工作非常重要。二十多年前，人们在强激光脉冲光场中的分子系统中看到了类似扭动态，并实现了对它的操控。我们的这个实验在远大于分子的纳米金刚石系统中看到了类似的现象。目前观察到的还是经典扭动，未来如果能在这个系统看到量子化的扭动态，那就跟小分子的摆动态更加像了。
而APS旗下Physics杂志称，这一体系可以用于超高灵敏地探测作用在单粒子上的扭矩。国际著名的物理新闻网站phys.org也对这一工作做了报道，称其为量子力学基本问题研究提供了新的工具。在接受知社采访时，李统藏教授介绍道：
我们发现一个用激光束缚在真空中的纳米粒子将是一个非常灵敏的纳米扭秤。扭秤对近代物理的发展曾经起到了关键作用。比如描述带电粒子之间相互作用的库仑定律是通过扭秤研究发现的；牛顿的万有引力常数最早是由卡文迪许用扭秤测定的；广义相对论的质量等效原理也是通过扭秤实验验证的。我们理论计算发现，悬空纳米粒子探测扭矩的灵敏度可以比卡文迪许用的扭秤高20个量级，比目前最好的纳米扭秤高8个量级。因为超高的灵敏度，悬空纳米粒子将可以用来测量单个电子或单个原子核在磁场中受到的扭矩，并有很多其他应用。
物理学的理论研究有两类，一类是预言新的实验现象，一类是解释新的实验现象。我们做的这个工作是典型的解释实验的理论，这也是我第一次参与这种类型的研究。我从事的量子信息的理论研究，以往的工作大都是设计理论方案，预言新的实验现象。这次我能有机会直接接触到新的实验数据，用物理模型进行分析与解释，进而设计新的理论方案，实在是难得的经历。

李统藏教授,2004年本科毕业于中国科学技术大学，2011年博士毕业于美国德克萨斯大学奥斯汀分校。2011－2014年在美国加州大学伯克利分校做博士后。2014年至今在美国普渡大学“物理和天文系”以及“电子工程和计算机系”任助理教授，博士生导师。李统藏在2016年获得了美国国家科学基金会杰出青年教授奖（NSF CAREER Award）。他还曾获得Springer博士论文奖，中国“国家优秀自费留学生奖学金”，美国光学学会基金会“杰·贝内特纪念奖”等奖项。在Science， Nature Physics， Nature Communications， Physical Review Letters 等著名杂志发表论文二十余篇，在Springer出版专著一部。李统藏在2010年和合作者用激光光镊首次实验测量了悬浮粒子布朗运动的瞬时速度，完成了这个爱因斯坦在一百多年前认为是不可能完成的任务。该工作被Science杂志推荐为高中及大学教学内容。2012年和尹璋琦等合作者首次提出利用超冷束缚离子实现时空晶体的实验方案，被Nature杂志选为研究亮点，并被Discovery传播公司拍摄成纪录片。2015年和尹璋琦合作提出活体微生物的量子态叠加，纠缠和隐形传态方案，引起学术界和媒体的广泛关注。
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