量子スピンがセンチメートル級のダイヤモンドを動かした:巨視的重ね合わせへの第一歩

編集者: Svitlana Velhush

沖縄科学技術大学院大学(OIST)の研究室で、量子効果が初めて肉眼で見える物体を直接動かした。科学者たちは、磁石の上に浮かべたセンチメートル級のダイヤモンドを、その原子格子内の電子スピンが生み出す力によって上下に移動させた。

この実験は、ダイヤモンド結晶中の炭素原子が窒素原子と空孔に置き換わった欠陥である窒素空孔中心に依拠している。これらの中心は不対電子を保持しており、そのスピンは緑色レーザーで偏極させることができる。パルス光を照射すると、スピンが整列し、その微小な磁気モーメントが弱いながらも測定可能な力を生み出す。

ダイヤモンドは炭素製の棒で吊り下げられ、その棒は反磁性によって磁石の上に浮遊するグラファイト板に接続されている。レーザーが切れているとき、動きは最小限である。レーザーを入れると、ダイヤモンドは数十ピコメートル変位する。これは干渉計がピコメートルの精度で記録できる距離である。

この物体の質量は、これまでのスピン-力学実験よりも八〜九桁大きい。重力の影響を受ける物体において、純粋に量子的なスピンの力が古典的な力学的応答を引き起こしたのは、これが初めての事例である。

この結果は、重力の量子論的性質を検証する道を開く。巨視的な重ね合わせを観測するには、真空中で物体を浮遊させ、重力効果が顕著になるまで徐々にその質量を増やしていく必要がある。

すでに現在、この装置は暗黒物質や重力波を探すための超高精度センサーを作製することを可能にしている。次のステップは質量をもう一桁増やすことであり、そうなれば実験者たちは「シュレーディンガーの猫」の実現に近づくことを期待している。

こうして、スピンの微小な量子ゆらぎが初めて目に見えるものの世界に触れ、量子力学と一般相対性理論の間の橋を描き出した。

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ソース元

  • First observation of quantum spins shifting a centimeter-scale object in the lab

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