物理学家用悬浮纳米钻石举办世界上最微小的迪斯科派对

李同仓教授（左）、金元斌博士（中）和沈坤宏在普渡大学进行悬浮和旋转荧光钻石实验。图片来源：普渡大学 Charles Jischke 摄影

由普渡大学物理与天文学、电子与计算机工程系教授李同仓领导的研究小组在《自然-通讯》上发表了他们的研究成果。该论文的审稿人称这项工作"可以说是旋转量子系统和悬浮动力学研究的一个开创性时刻，是悬浮光学力学界的一个新的里程碑"。

"想象一下漂浮在虚空或真空中的微小钻石。这些钻石内部有自旋量子比特，科学家可以利用它们进行精确测量，探索量子力学与重力之间的神秘关系，"普渡大学量子科学与工程研究所成员李解释说。"过去，使用这些浮动钻石进行的实验在防止它们在真空中丢失和读出自旋量子比特方面存在困难。然而，在我们的工作中，我们使用一种特殊的离子阱成功地将钻石悬浮在高真空中。我们第一次可以在高真空中观察和控制悬浮钻石内部自旋量子比特的行为"。

研究小组让钻石以难以置信的速度快速旋转，每分钟高达 12 亿次，通过这种方法，他们能够观察到旋转是如何以一种独特的方式影响自旋比特的，这种方式被称为贝里阶段。这一突破有助于我们更好地理解和研究迷人的量子物理世界。

这种平均直径约为 750 纳米的荧光纳米金刚石是通过高压、高温合成制得的。用高能电子辐照这些金刚石，可产生氮空位彩色中心，这些彩色中心承载着电子自旋量子比特。当绿色激光照射时，它们发出红光，红光被用来读出它们的电子自旋状态。另外还用红外线激光照射悬浮的纳米金刚石，以监测其旋转情况。就像迪斯科球一样，随着纳米金刚石的旋转，散射红外光的方向也随之改变，从而传递出纳米金刚石的旋转信息。

本文作者主要来自普渡大学，是李博士研究小组的成员：金元斌（博士后）、沈坤宏（博士生）、高星宇（博士生）和鞠鹏（应届博士毕业生）。李、金、沈和鞠负责项目的构思和设计，金和沈负责安装设备。随后，金进行了测量和计算，团队对结果进行了集体讨论。

"在设计集成表面离子阱时，"金解释说，"我们使用商业软件 COMSOL Multiphysics 进行三维模拟。我们使用不同的参数计算阱的位置和微波透射率，以优化设计。我们增加了额外的电极，以方便控制悬浮金刚石的运动。在制造方面，我们使用光刻技术在蓝宝石晶片上制造了表面离子阱。在蓝宝石晶片上沉积了 300 纳米厚的金层，以形成表面离子阱的电极。

那么，钻石是朝哪个方向旋转的，它们的速度和方向可以操控吗？沈说可以，它们可以调整旋转方向和悬浮状态。

他解释说："我们可以调节驱动电压来改变旋转方向。悬浮的金刚石可以绕 Z 轴（垂直于离子阱表面）旋转，如示意图所示，根据我们的驱动信号，可以顺时针或逆时针旋转。如果我们不施加驱动信号，钻石就会像毛线球一样全向旋转。"

有人提出将内嵌自旋量子比特的悬浮纳米金刚石用于精密测量和创建大型量子叠加，以测试量子力学的极限和引力的量子性质。

"广义相对论和量子力学是20世纪最重要的两大科学突破。然而，我们仍然不知道引力是如何被量子化的。"实现量子引力的实验研究将是一个巨大的突破。此外，内嵌自旋量子比特的旋转钻石为研究机械运动与量子自旋之间的耦合提供了一个平台。

这一发现可能会在工业应用中产生连锁反应。李说，在真空中悬浮的微米级和纳米级粒子可以作为出色的加速度计和电场传感器。例如，美国空军研究实验室（AFRL）正在使用光学悬浮纳米粒子，为导航和通信领域的关键问题开发解决方案。

李说："在普渡大学，我们拥有最先进的悬浮光学力学研究设施。我们有两套专门用于这一研究领域的自制系统。此外，我们还可以使用 Birck 纳米技术中心的共享设施，这使我们能够在校园内制造和表征集成表面离子阱。我们还有幸拥有能够开展前沿研究的优秀学生和博士后。此外，我的研究小组已经在这一领域工作了十年，丰富的经验使我们能够取得快速进展"。

编译自/ScitechDaily