In een laboratorium op Okinawa hebben wetenschappers voor het eerst kwantumspins van elektronen een object van een centimeter groot laten verschuiven. Een diamant, opgehangen boven een grafietplaat, verplaatste zich met honderd nanometer — een afstand die vergelijkbaar is met een duizendste deel van een mensenhaar. Dit is niet zomaar een technische truc: het experiment laat zien hoe de krachten van de microwereld invloed kunnen uitoefenen op dingen die wij gewend zijn als klassiek en onderhevig aan de zwaartekracht te beschouwen.
Het team van het Okinawa Institute of Science and Technology gebruikte speciale defecten in het diamantkristal — stikstof-vacaturecentra. Deze defecten maken het mogelijk de spins van elektronen met laserlicht te besturen. De grafietplaat zweefde boven een schaakbord van magneten dankzij diamagnetisme, en de diamant van enkele milligrammen hing eronder. De totale massa van het systeem bedraagt ongeveer 128 milligram.
Toen de laser de diamant met pulsen belichtte, veroorzaakten de spins van de elektronen kleine magnetische trillingen. Deze trillingen werden omgezet in een mechanische kracht die het hele object op en neer duwde. De beweging werd met een interferometer vastgelegd. In lucht bereikte de verschuiving honderd nanometer, in vacuüm tot anderhalve micrometer. Belangrijk is dat de kracht juist door een kwantumeffect ontstond, en niet door warmte of trillingen.
Eerder konden spin-krachten alleen op afzonderlijke atomen worden waargenomen. Nu is de grens tussen de kwantumwereld en de klassieke wereld met acht tot negen ordes in massa verschoven. Het object is al groot genoeg om er de zwaartekracht merkbaar op te laten inwerken — dit opent de weg naar de toetsing of de zwaartekracht aan kwantumregels gehoorzaamt.
Het experiment werd bij kamertemperatuur uitgevoerd, met gebruikmaking van de lange coherentie van spins in NV-centra. De wetenschappers benadrukken: dit is een stap van groot naar klein. Zoals diamagnetische levitatie treinen op een magneetzweefbaan optilt, zo maakte zij het hier mogelijk het systeem van externe storingen te isoleren en een zuivere kwantumrespons te zien.
In de toekomst kan de methode helpen macroscopische superposities te creëren — toestanden waarin een object zich tegelijk op twee plaatsen bevindt. De onderzoekers hopen de schaal van de ‘kat van Schrödinger’ te naderen en uiterst nauwkeurige sensoren te bouwen voor het opsporen van donkere materie of zwaartekrachtgolven. Voorlopig blijft de beweging klassiek, maar zij wordt door een kwantumkracht veroorzaakt.
Het werk is gepubliceerd in Science Advances. Het laat zien dat de grens tussen de werelden niet zo onoverkomelijk is als zij leek, en elke nieuwe centimeter brengt ons dichter bij het begrip van hoe de werkelijkheid in elkaar zit.
