提出大问题与解决具体问题


曾经写过《量子信息与量子计算》的Nielsen写过一篇很有趣的文章《高效研究的原理》。在那篇文章中,他提出了两种研究风格:解决问题的高手和提问题的高手。我们的训练,其实大部分都是培养我们解决问题的能力。也就是说,让我们学习很多技术,能力,找到巧妙的办法来解决研究中一个个的难题。而后者,是非常稀少的能力,一般都是用一个非常简单的方程或者模型来提出一个非常有趣的问题,或者把一个老问题用一个新的角度来处理,或者把两个原来不相干的领域联系起来。用通俗的话语可以说,解决问题的能力能够让我们在学术期刊上持续的灌水,而提出问题的能力就是在学界挖一个大坑,等待后人来灌水。

我自己读文献时,对挖坑的人实在是又爱又恨。因为如果没有他们挖坑,也就没有我们的这口饭吃。可是挖坑的人,一般坑都太深了,怎么填都填不完。挖坑的文献通常也蛮难懂。一般情况下,都得找后人的“读后感”,才能帮助我弄懂挖坑的文章。读到这种晦涩难懂的挖坑文章,实在让我这样的初学者恼火。坑也不能随便挖。比如说,50年前,前苏联就有人设想负折射率材料的存在了。但是毫无影响力,因为就是一个数学,缺乏物理实现的想法。直到10年前,有人提出如何用纳米技术来实现负折射率材料,这个方向才真正发展起来。如果你是爱因斯坦,费曼这样的牛人,可能只是一时想到了量子计算机,纳米技术,稍微描述一下实现后的前景,实现的路径,也会被别人惦记几十年。我们能够在日常解决问题的研究工作中,偶尔花点时间来想想大问题,提出有价值,让别人有兴趣解决的问题,那么研究才真的能够上档次,才真的摸到物理研究的核心了。

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光束缚的纳米小球的三维基态冷却与探测


最近,我跟德州奥斯丁大学的李统藏和武汉物理数学所的冯芒研究员合作,写了一篇名为《Three dimensional cooling and detecting of a nanosphere with a single cavity》的论文。这篇文章从理论上探讨了如何用单个光学腔来帮助束缚在光镊中的纳米小球冷却到量子基态,同时我们可以通过探测出射光脉冲来测量小球在基态附近受到的扰动,比如说与单个分子的碰撞。这并不是一个容易的工作。要知道单个分子的质量与纳米小球的质量相差上亿倍,单个分子与小球的碰撞,可以形象的类比为一颗子弹打到一座山上被反弹后,我们想测量出山移动了多少。要完成如此精密的测量,我们需要对把热噪声降低到零。

这个工作的基础是李统藏刚刚在《Science》上发表的一篇实验论文。他在那篇论文中,报道了他们用光镊束缚微米小球,同时测量小球在空气中布朗运动瞬时速度的实验。我们仔细的考察了已有的把光束缚的纳米小球耦合到光学腔中,用腔辅助冷却小球运动的理论方案( Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.107, 1005 (2010), New. J. Phys. 12, 033015 (2010)),发现现有的一维冷却方案是不稳定的。原因在于不论是束缚光还是冷却光,与小球的散射都会加热小球,且加热效应是三维的,加热率会随着时间指数增长。如果我们只在一个维度上冷却了小球,而对另外两个维度放任不管,小球将会很快的被加热跑出光镊。我们必须用三维的冷却才能使得小球稳定的束缚在光镊中。而把原来的方案简单的推广到用三个腔冷却小球的3维运动是不行的,实验上太过复杂,根本无法实现。

我们发现,如果考虑到光学腔中的高阶模式,将可能把一个腔中的3个模式与小球的三维运动分别耦合起来,用于同时冷却小球的三维运动。不仅如此,这三个模式的出射光也包含了小球运动的信息,我们可以用它来探测小球的三维位置和运动。我们考察了一个很有趣的情况:超高真空下小球与剩余的气体分子之间的单次碰撞,可以用我们的这个方案来探测。如果将来能够完成这种探测的话,不仅可以在单次碰撞的水平上验证麦克斯韦速度分布律,还有可能用于估算气体分子的质量,以及小球表面的温度。此外,这个系统也可以看做是一个灵敏的单分子探测器,有可能用于做麦克斯韦妖的实验。这个方案的核心思想也可以用冷却原子,离子和分子。

论文已经贴到arXiv上:arXiv:1007.0827。如果有兴趣可以读读,欢迎大家多批评指教。