普渡大學的物理學家們正在舉辦世界上最小的迪斯科派對。迪斯科球本身是一顆熒光奈米鉆石，他們將其懸浮起來並以難以置信的高速旋轉。熒光鉆石在旋轉過程中會向不同方向發射和散射多色光。當他們研究快速旋轉對其系統內自旋量子位元的影響並能夠觀察到貝裏相位時，派對還在繼續。
李同倉教授（左）、金元斌博士（中）和沈坤宏在普渡大學進行懸浮和旋轉熒光鉆石實驗。圖片來源：普渡大學 Charles Jischke 攝影
由普渡大學物理與天文學、電子與電腦工程系教授李同倉領導的研究小組在【自然-通訊】上發表了他們的研究成果。該論文的審稿人稱這項工作"可以說是旋轉量子系統和懸浮動力學研究的一個開創性時刻，是懸浮光學力學界的一個新的裏程碑"。
"想象一下漂浮在虛空或真空中的微小鉆石。這些鉆石內部有自旋量子位元，科學家可以利用它們進行精確測量，探索量子力學與重力之間的神秘關系，"普渡大學量子科學與工程研究所成員李解釋說。"過去，使用這些浮動鉆石進行的實驗在防止它們在真空中遺失和讀出自旋量子位元方面存在困難。然而，在我們的工作中，我們使用一種特殊的離子阱成功地將鉆石懸浮在高真空中。我們第一次可以在高真空中觀察和控制懸浮鉆石內部自旋量子位元的行為"。
研究小組讓鉆石以難以置信的速度快速旋轉，每分鐘高達 12 億次，透過這種方法，他們能夠觀察到旋轉是如何以一種獨特的方式影響自旋位元的，這種方式被稱為貝裏階段。這一突破有助於我們更好地理解和研究迷人的量子物理世界。
這種平均直徑約為 750 奈米的熒光奈米金剛石是透過高壓、高溫合成制得的。用高能電子輻照這些金剛石，可產生氮空位彩色中心，這些彩色中心承載著電子自旋量子位元。當綠色雷射照射時，它們發出紅光，紅光被用來讀出它們的電子自旋狀態。另外還用紅外線雷射照射懸浮的奈米金剛石，以監測其旋轉情況。就像迪斯科球一樣，隨著奈米金剛石的旋轉，散射紅外光的方向也隨之改變，從而傳遞出奈米金剛石的旋轉資訊。
本文作者主要來自普渡大學，是李博士研究小組的成員：金元斌（博士後）、沈坤宏（博士生）、高星宇（博士生）和鞠鵬（應屆博士畢業生）。李、金、沈和鞠負責計畫的構思和設計，金和沈負責安裝裝置。隨後，金進行了測量和計算，團隊對結果進行了集體討論。
"在設計整合表面離子阱時，"金解釋說，"我們使用商業軟體 COMSOL Multiphysics 進行三維模擬。我們使用不同的參數計算阱的位置和微波透射率，以最佳化設計。我們增加了額外的電極，以方便控制懸浮金剛石的運動。在制造方面，我們使用光刻技術在藍寶石晶片上制造了表面離子阱。在藍寶石晶片上沈積了 300 奈米厚的金層，以形成表面離子阱的電極。
那麽，鉆石是朝哪個方向旋轉的，它們的速度和方向可以操控嗎？沈說可以，它們可以調整旋轉方向和懸浮狀態。
他解釋說："我們可以調節驅動電壓來改變旋轉方向。懸浮的金剛石可以繞 Z 軸（垂直於離子阱表面）旋轉，如示意圖所示，根據我們的驅動訊號，可以順時針或逆時針旋轉。如果我們不施加驅動訊號，鉆石就會像毛線球一樣全向旋轉。"
有人提出將內嵌自旋量子位元的懸浮奈米金剛石用於精密測量和建立大型量子疊加，以測試量子力學的極限和重力的量子性質。
"廣義相對論和量子力學是20世紀最重要的兩大科學突破。然而，我們仍然不知道重力是如何被量子化的。"實作量子重力的實驗研究將是一個巨大的突破。此外，內嵌自旋量子位元的旋轉鉆石為研究機械運動與量子自旋之間的耦合提供了一個平台。
這一發現可能會在工業套用中產生連鎖反應。李說，在真空中懸浮的微米級和奈米級粒子可以作為出色的加速度計和電場傳感器。例如，美國空軍研究實驗室（AFRL）正在使用光學懸浮奈米粒子，為導航和通訊領域的關鍵問題開發解決方案。
李說："在普渡大學，我們擁有最先進的懸浮光學力學研究設施。我們有兩套專門用於這一研究領域的自制系統。此外，我們還可以使用 Birck 奈米技術中心的共享設施，這使我們能夠在校園內制造和表征整合表面離子阱。我們還有幸擁有能夠開展前沿研究的優秀學生和博士後。此外，我的研究小組已經在這一領域工作了十年，豐富的經驗使我們能夠取得快速進展"。
編譯自/ScitechDaily
