Квантовые спины сдвинули объект сантиметрового масштаба: шаг к проверке квантовой механики на макроуровне

Работа расширяет возможности исследования взаимодействия квантовых систем с объектами, подчиняющимися законам классической механики. При этом важно различать два результата: учёные продемонстрировали воздействие квантовой системы на макроскопический объект, но не перевели весь этот объект в квантовую суперпозицию и не доказали квантовую природу гравитации.

Как квантовый эффект сдвинул макроскопический объект

В основе эксперимента лежат спины электронов — квантовые свойства частиц, связанные с их собственным магнитным моментом. Спин можно представить как аналог крошечного магнитного указателя, хотя такое сравнение лишь приблизительно описывает его физическую природу.

Исследователи использовали алмаз размером около 3 мм с азотно-вакансионными центрами (NV-центрами). Эти дефекты кристаллической решётки позволяют управлять спиновыми состояниями электронов с помощью лазерного излучения и регистрировать их состояние оптическими методами.

Алмаз закрепили на графитовой пластине, которую удерживали над массивом магнитов за счёт диамагнитной левитации. В экспериментальной установке также применялся дополнительный магнит, позволявший преобразовать воздействие управляемых спинов в механическое смещение всей системы.

Масса подвижной сборки составляла около 128 мг. В результате взаимодействия квантовых спинов с магнитной системой объект сместился примерно на 100 нм. Это крайне небольшое перемещение, однако его регистрация показывает, что управляемое квантовое состояние может служить источником измеримого механического воздействия на объект, значительно превосходящий по размерам отдельные атомы и наноструктуры.

Почему важен масштаб эксперимента

Одной из сложных задач современной квантовой физики остаётся изучение того, как квантовые свойства проявляются в системах с большой массой. В микромире квантовые эффекты хорошо известны, но при переходе к макроскопическим объектам взаимодействие с окружающей средой затрудняет сохранение квантовой когерентности.

В новой работе исследователи пошли от крупного механического объекта к управляемой квантовой системе, встроенной в него. Такой подход отличается от экспериментов, в которых учёные пытаются увеличить массу объекта, первоначально подготовленного в квантовом состоянии.

Теоретический физик OIST Джейсон Твэмли отмечает, что наблюдаемая система на восемь-девять порядков массивнее объектов, использовавшихся в некоторых предшествующих экспериментах по спин-механике. Это позволяет расширить диапазон масштабов, на которых можно исследовать связь квантовых состояний с механическим движением.

Важную роль играют свойства NV-центров. Они хорошо изучены, допускают управление при комнатной температуре и способны сохранять квантовую когерентность сравнительно долго. Эти особенности делают алмазные системы перспективным инструментом для дальнейших исследований квантовой механики макроскопических объектов.