In einem Labor auf Okinawa haben Wissenschaftler erstmals Quantenspins von Elektronen dazu gebracht, ein Objekt von der Größe eines Zentimeters zu bewegen. Ein über einer Graphitplatte aufgehängter Diamant verschob sich um hundert Nanometer – eine Strecke, vergleichbar mit einem Tausendstel eines menschlichen Haares. Das ist nicht nur ein technischer Trick: Das Experiment zeigt, wie die Kräfte der Mikrowelt Dinge beeinflussen können, die wir gewohnt sind, als klassisch und der Gravitation unterworfen zu betrachten.
Das Team vom Okinawa Institute of Science and Technology nutzte besondere Defekte im Diamantkristall – Stickstoff-Fehlstellen-Zentren. Diese Defekte ermöglichen es, die Spins der Elektronen mit Laserlicht zu steuern. Die Graphitplatte schwebte über einem Schachbrett aus Magneten dank Diamagnetismus, und der einige Milligramm schwere Diamant hing darunter. Die Gesamtmasse des Systems beträgt etwa 128 Milligramm.
Als der Laser den Diamanten impulsweise beleuchtete, erzeugten die Elektronenspins winzige magnetische Schwingungen. Diese Schwingungen verwandelten sich in eine mechanische Kraft, die das gesamte Objekt auf und ab stieß. Die Bewegung wurde mit einem Interferometer festgehalten. In der Luft erreichte die Verschiebung hundert Nanometer, im Vakuum bis zu eineinhalb Mikrometer. Wichtig ist, dass die Kraft gerade von einem Quanteneffekt herrührte und nicht von Wärme oder Vibrationen.
Früher ließen sich Spinkräfte nur an einzelnen Atomen beobachten. Nun hat sich die Grenze zwischen der Quanten- und der klassischen Welt um acht bis neun Größenordnungen in der Masse verschoben. Das Objekt ist bereits groß genug, dass die Gravitation merklich auf es wirkt – das eröffnet den Weg zur Prüfung, ob die Gravitation den Quantenregeln gehorcht.
Das Experiment wurde bei Raumtemperatur durchgeführt, wobei die lange Kohärenz der Spins in NV-Zentren genutzt wurde. Die Wissenschaftler betonen: Dies ist ein Schritt vom Großen zum Kleinen. So wie die diamagnetische Levitation Züge auf einem Magnetkissen anhebt, ermöglichte sie hier, das System von äußeren Störungen zu isolieren und eine reine Quantenantwort zu sehen.
Perspektivisch wird die Methode helfen, makroskopische Superpositionen zu erzeugen – Zustände, in denen sich ein Objekt gleichzeitig an zwei Orten befindet. Die Forscher hoffen, sich der Größenordnung von Schrödingers Katze zu nähern und hochpräzise Sensoren für die Suche nach dunkler Materie oder Gravitationswellen zu bauen. Noch bleibt die Bewegung klassisch, doch sie wird von einer Quantenkraft hervorgerufen.
Die Arbeit ist in Science Advances veröffentlicht. Sie zeigt, dass die Grenze zwischen den Welten nicht so unüberwindbar ist, wie es schien, und jeder neue Zentimeter uns dem Verständnis der Beschaffenheit der Realität näher bringt.
