OIST 首次观测到量子自旋推动厘米级物体

激光、MRI扫描仪、半导体和量子计算机等现代技术突破都建立在量子力学研究之上。然而，该领域主要关注的是远离人类感官的（亚）原子现象。

在质量大到足以受到引力显著影响的物体上展示量子现象一直很困难，因为与纳米级粒子相比，大物体要隔离热和振动等环境因素要困难得多。

但现在，冲绳科学技术大学院大学（OIST）的研究人员仅利用电子自旋产生的力，成功移动了一颗悬浮的厘米宽钻石，这是首次观察到量子效应直接操控一个受引力影响的物体。

他们的研究结果今天发表在Science Advances上，为研究经典物理学与量子物理学之间的边界设定了新的基线，预示着对宇宙基本性质令人兴奋的探索，以及一类用于探测暗物质、引力波和其他奇异现象的新型极高精度传感器。

OIST量子机器单元的Jason Twamley教授解释说：“已有许多努力试图检验量子力学是否适用于大于几十纳米的任何物体，但迄今没有成功。现在，我们观察到了一个物体对量子力的经典力学响应，该物体的质量比当前最先进的自旋-力学实验重八到九个数量级。”

通过以脉冲形式将一束50毫瓦的绿色激光照射在含有氮-空位中心的钻石上，并用干涉仪测量其运动，研究人员检测到仅由自旋力变化驱动的上下运动（蓝线）。这些运动远大于激光关闭时观察到的运动（橙线）。

用磁体、一颗不纯的钻石和一点石墨统一物理学

经典物理学和量子物理学长期以来在尺度问题上存在分歧。引力是经典物理学中广义相对论的核心，然而在观察到量子现象的纳米尺度上，其效应极其微弱。相反，位置叠加——即粒子在被测量之前同时存在于明显不同位置的现象——仅在微观层面得到了实验证明。

“为了检验引力的量子性质，我们最终需要将质量足够大的物体置于量子叠加态。而且这些物体需要在真空中悬浮，以尽量减少环境噪声的影响，”该单元博士生、第一作者Anshuman Nayak解释说。“典型方法是从极小的悬浮物体开始，逐渐增加其质量，直到引力效应变得相关。但使用光学陷阱等传统技术悬浮宏观物体已被证明极具挑战性。这就是为什么我们属于相反的阵营——从大到小。正如抗磁悬浮可以抬起磁悬浮列车一样，它也可以用来悬浮厘米宽的装有钻石的物体，在那里引力效应可能极其强烈，但量子效应尚未被观察到。”

关键在于将同一团队近期通过实验验证的较小装置组合起来：一块抗磁悬浮的石墨板，上面装有一面镜子，通过一根穿过磁屏蔽的碳纤维杆连接到悬挂在磁体上方的金刚石。这块金刚石拥有数十亿个所谓的氮空位（NV）中心，这些中心能够捕获未成对电子，并通过其量子自旋力充当微小且可控的量子磁体。用绿色激光周期性地照射金刚石，会将这些中心极化到预定的自旋态，产生微小的磁涨落，将金刚石向下推。研究人员使用干涉仪追踪这一运动，干涉仪将激光从石墨板上的小镜子反射回来，以皮米级精度测量距离变化。

“NV金刚石已被充分理解且易于控制。这一点，再加上NV中心拥有已知最长的相干时间之一，使它们能够在室温下比其他系统更长时间地维持量子叠加态，这使得它们在未来的研究中对于产生运动或物体的宏观叠加特别有吸引力，”该单元的博士生、共同作者Daehee Kim补充道。