辽宁
在微观世界里，量子规律主宰一切；在我们熟悉的宏观世界里，经典物理说了算。两个世界的边界究竟在哪里，一直是物理学家追问的根本问题之一。
日本冲绳科学技术大学院大学量子机器研究室的团队，近日在这条边界上迈出了引人注目的一步。
他们利用钻石中原子尺度缺陷的量子自旋，产生了一个可测量的力，并用这个力推动了一个厘米尺度、重约一百多毫克的悬浮物体。
这项研究由贾森·特瓦姆利教授领导，阿努什曼·纳亚克是第一作者，金大熙和来自东京科学大学的田诗璐也参与其中。
让量子效应作用在越来越大的物体上，是近年来物理学界的一大热门方向。物体越大，越容易受到周围环境的干扰，量子特性也越容易“消失”，因此每向宏观迈进一步都十分艰难。
一套“飘”在磁铁上的装置
实验的核心，是一个悬浮在空中的小小振子。
研究人员把一块约1厘米见方的石墨板，放在由钕铁硼强磁铁排成的“棋盘”上方。
石墨具有抗磁性，会被磁场轻轻推开，于是石墨板就稳稳地悬浮在磁铁上方。这种抗磁悬浮不需要通电，也不需要超低温，为实验提供了一个几乎没有摩擦的安静环境。
石墨板下方，通过一根约5厘米长的碳纤维细杆，吊着一块3毫米见方、0.5毫米厚的钻石薄片。整套振子的总质量约为128毫克。
这块钻石里含有大量“氮空位中心”。它是钻石晶格中的一种特殊缺陷：一个碳原子被氮原子取代，旁边还留下一个空位。
每个氮空位中心都带有电子自旋，可以看作一枚极其微小、可以用光来控制的“量子磁针”。
钻石下方还放着一块永磁体，用来制造一个随位置变化的磁场梯度。
氮空位中心之所以备受青睐，是因为它们在室温下就能保持一定的量子特性，而且可以用激光方便地读写，是量子传感领域的明星材料。
让量子自旋“推”一把
实验的关键操作，是用一束532纳米的绿色激光照射钻石。
绿光能把氮空位中心的自旋“设置”到特定状态，这一过程被称为光学极化。
自旋状态一旦改变，它们在磁场梯度中受到的力也随之改变。研究人员让激光以振子的固有频率，也就是每秒约17.6次，周期性地开关。
这就像荡秋千时，在恰当的时机一次次轻推，微小的力量不断累积，秋千就会越荡越高。
结果，整套悬浮振子随之振动起来。研究人员测得，自旋产生的力超过5纳牛顿，振子在空气中的振幅约为100纳米，在真空中可达约1.5微米。
为了捕捉这些微小的运动，团队使用了一台分辨率达到皮米级的激光干涉仪。皮米是一米的一万亿分之一，比一个原子还小得多。
如何证明真是自旋在“推”
在如此精密的实验中，排除其他干扰至关重要。研究团队为此设计了一系列对照实验。
当移走钻石下方的磁铁后，振子的共振信号消失了。
当把绿光换成无法极化自旋的980纳米红外激光时，共振信号同样没有出现。这说明，单纯的光照加热或光压并不能解释这种运动。
研究人员还发现，这个力取决于磁场梯度，而不是磁场本身的强弱，这正是自旋受力的典型特征。
此外，力的大小会随激光功率和开关比例变化，与他们建立的理论模型预测相当吻合。这些证据共同指向一个结论：真正推动振子的，是钻石中的量子自旋。
通往量子与引力交界的新平台
这项研究的意义，在于把量子自旋与一个肉眼可见的机械物体直接联系了起来。
过去的自旋-力学实验，大多作用于纳米或微米尺度的微小颗粒。这一次，被推动的对象达到了厘米尺度，重量也大了许多。
物理学中一个悬而未决的根本问题，是引力是否也遵循量子规律。要回答它，就需要能够同时受量子效应和引力影响的较大物体，而这类悬浮振子正是潜在的实验平台。
研究团队认为，如果进一步提高真空度、降低阻尼，并引入微波对自旋进行更精细的操控，就有望获得更大的运动幅度和更强的力。
他们的长远目标，是实现用量子自旋来精确控制机械运动。
目前，实验中的振动幅度主要受实验室环境噪声的限制。如果能把装置放进更安静、更稳定的环境里，测量精度还有很大的提升空间。
这一思路也意味着，未来科学家或许可以反过来，利用机械运动去读取和操控量子自旋，在两者之间建立双向的“对话”。
在应用层面，这类装置也有望发展为极其灵敏的力和加速度传感器，用于精密测量等领域。
当然，眼下的实验仍处于早期阶段，距离在宏观物体上观测量子叠加等奇特现象，还有相当长的路要走。
但一块钻石中的量子自旋，已经让一个厘米大小的物体“动”了起来。微观与宏观之间那条若隐若现的边界，正在被科学家一点点照亮。
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