李彤仓教授（左）、金元斌博士（中）和沈坤红在普渡大学进行悬浮和旋转荧光钻石实验。图片来源：普渡大学，Charles Jischke。
普渡大学的物理学家正在举办世界上最小的迪斯科派对。迪斯科球本身是一个荧光纳米金刚石，他们将其悬浮并以令人难以置信的高速度旋转。荧光钻石在旋转时会向不同方向发射和散射多色光。该小组继续研究快速旋转对其系统内自旋量子比特的影响，并能够观察到贝里相。
该团队由普渡大学物理与天文学教授、电气与计算机工程教授李彤仓领导，在Nature Communications上发表了他们的研究结果。该出版物的审稿人将这项工作描述为“可以说是旋转量子系统和悬浮动力学研究的开创性时刻”和“悬浮光力学界的新里程碑”。
“想象一下，微小的钻石漂浮在空旷的空间或真空中。在这些钻石内部，科学家们可以利用自旋量子比特进行精确测量，并探索量子力学与引力之间的神秘关系，“李解释说，他也是普渡大学量子科学与工程研究所的成员。
“过去，对这些漂浮钻石的实验在防止它们在真空中的损失和读取自旋量子比特方面遇到了困难。然而，在我们的工作中，我们成功地使用特殊的离子阱将钻石悬浮在高真空中。这是第一次，我们可以在高真空下观察和控制悬浮钻石内部的自旋量子比特的行为。
该团队使钻石旋转得非常快——高达每分钟 12 亿次！通过这样做，他们能够观察到旋转如何以一种称为贝里相的独特方式影响自旋量子比特。
“这一突破有助于我们更好地理解和研究量子物理学的迷人世界，”他说。
平均直径约为750 nm的荧光纳米金刚石是通过高压、高温合成生产的。这些钻石用高能电子辐照以产生氮空位色中心，这些色中心承载着电子自旋量子比特。
当被绿色激光照射时，它们会发出红光，用于读出它们的电子自旋状态。额外的红外激光照射在悬浮的纳米金刚石上，以监测其旋转。就像迪斯科球一样，随着纳米金刚石的旋转，散射红外光的方向也会发生变化，从而携带纳米金刚石的旋转信息。
该图显示了悬浮在表面离子阱上方的金刚石颗粒。荧光金刚石纳米颗粒通过施加到四个角电极的交流电压驱动高速旋转（高达 12 亿转/分）。这种快速旋转在钻石内部的氮空位电子自旋中诱导出一个相。左上角的图表描绘了金刚石内部氮空位自旋缺陷的原子结构。图片来源：Kunhong Shen。
本文的作者主要来自普渡大学，是Li研究小组的成员：Yuanbin Jin（博士后），Kunhong Shen（博士生），Xingyu Gao（博士生）和Peng Ju（应届博士毕业生）。Li、Jin、Shen 和 Ju 构思并设计了该项目，Jin 和 Shen 构建了设置。
随后，Jin进行了测量和计算，团队集体讨论了结果。两位非普渡大学的作者是桑迪亚国家实验室的主要技术人员亚历杭德罗·格林（Alejandro Grine）和圣路易斯华盛顿大学助理教授Chong Zu。Li的团队与Grine和Zu讨论了实验结果，他们为实验和手稿的改进提供了建议。
“用于设计我们的集成表面离子阱，”Jin解释道。“我们使用商业软件 COMSOL Multiphysics 来执行 3D 仿真。我们使用不同的参数计算捕获位置和微波透射率，以优化设计。我们添加了额外的电极，以方便地控制悬浮钻石的运动。在制造方面，表面离子阱是使用光刻技术在蓝宝石晶片上制造的。在蓝宝石晶片上沉积了300纳米厚的金层，以形成表面离子阱的电极。
那么，钻石是以哪种方式旋转的，它们可以被速度或方向操纵吗？沈说是的，他们可以调整旋转方向和悬浮。
“我们可以调整驱动电压来改变旋转方向，”他解释道。“悬浮的金刚石可以绕原理图中所示的z轴（垂直于离子阱的表面）旋转，顺时针或逆时针旋转，具体取决于我们的驱动信号。如果我们不应用驱动信号，钻石就会像毛线球一样全向旋转。
具有嵌入式自旋量子比特的悬浮纳米金刚石已被提议用于精确测量和创建大的量子叠加态，以测试量子力学的极限和引力的量子性质。
“广义相对论和量子力学是20世纪最重要的两个科学突破。然而，我们仍然不知道引力是如何量子化的，“李说，”实现实验研究量子引力的能力将是一个巨大的突破。此外，具有嵌入式自旋量子比特的旋转金刚石为研究机械运动和量子自旋之间的耦合提供了一个平台。
这一发现可能会在工业应用中产生连锁反应。李说，真空中悬浮的微米和纳米级颗粒可以作为出色的加速度计和电场传感器。例如，美国空军研究实验室（AFRL）正在使用光学悬浮纳米粒子来开发导航和通信中关键问题的解决方案。
“在普渡大学，我们拥有最先进的设施来研究悬浮光力学，”李说，“我们有两个专门的、自制的系统专门用于这一研究领域。此外，我们还可以使用伯克纳米技术中心的共享设施，这使我们能够在校园内制造和表征集成的表面离子阱。我们也很幸运拥有能够进行前沿研究的才华横溢的学生和博士后。此外，我的团队在这个领域已经工作了十年，我们丰富的经验使我们能够取得快速的进步。
更多信息：Yuanbin Jin 等人，高真空旋转悬浮钻石中电子自旋的量子控制和 Berry 相，《自然通讯》（2024 年）。DOI： 10.1038/s41467-024-49175-3
期刊信息： Nature Communications
