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科技之光：同步磁體和電子行為的新設備
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科技之光：同步磁體和電子行為的新設備
磁場感應。一個微小的懸浮磁體（圖中藍色和紅色粒子）可與金剛石平板中的單個電子發生相互作用（圖中黃色箭頭）。用激光（綠色）監測的結果表明，電子會對磁體的運動產生反應。通過增加磁體-電子相互作用的強度，研究人員希望能夠賦予磁體電子的量子特性，比如能夠同時處於兩個位置。圖片來源：APS/Alan Stonebraker
一組研究人員演示了懸浮磁體和單個電子之間的磁耦合。該實驗中電子被安置在金剛石晶體內，其發光情況的變化可反映磁體的運動。該團隊目前正致力於通過縮小設備規格來提高磁體與電子相互作用的強度。研究人員認為這可以使他們探索最基本的量子問題，並可能對量子計算機的研究產生積極影響。
哈佛大學的揚•吉澤勒（Jan Gieseler）指出，誘導物體產生量子行為的一種方法是同時施加推拉物體的力，使其同時向左和向右移動。研究人員知道如何推拉單個原子，但不清楚怎樣對較大的物體進行同樣的操作。吉澤勒和他的同事們認為，他們的新設備可以在微米尺度的磁體中誘導出這種量子行為。新設備中磁體可在一個磁阱內左右擺動，該團隊已經證明這種振動在可測量範圍內改變了附近電子的能量。吉澤勒提出，通過增加這種相互作用的強度，磁體可以繼承電子的量子行為，比如同時左右移動，這使研究人員得以測試大質量物體的量子力學規律。
為了製造實驗需要的設備，吉澤勒和他的同事們在矽片上蝕刻了一個80微米深的坑，其形狀類似於台球桌上的口袋。他們將一個15微米寬的球形磁體放入坑中，並在上麵用金剛石覆蓋填平。這些金剛石間含有一種形似原子的縫隙，稱為氮空位中心，其中包含一個未配對的電子。研究人員用微波控製這些縫隙，本質上是使電子對磁體產生的磁場更加敏感。
為了讓磁體靠近電子，研究人員在凹坑下方放置了一塊氧化釔鋇銅超導體板。永磁體受到超導體的排斥而被向上推，懸停在菱形封頂下方幾十微米處。超導體的磁場也創造了一個可使磁體來回振動的限製環境。
研究小組運用了兩種方法監測磁體的運動。第一種方法是錄製磁體運動的高幀率視頻，由此他們確定磁體的振動頻率在1千赫左右。第二種方法是用綠光照射含有電子的縫隙，並記錄下從縫隙發出的紅光。實驗發現由此發出的光的強度與磁體同頻振蕩，這證實了電子的行為對磁體的位置很敏感。吉澤勒說:“這是人們首次發現懸浮粒子與其外部的類原子縫隙相互作用。”
圖片來源：Pixabay
通過比較視頻和輻射數據，研究小組發現，電子-磁體相互作用強度為50兆赫。這個量通常用頻率表示，因為它表示一個係統感知到另一個係統發生變化的速率。吉澤勒指出，相比於其他可產生20赫茲頻率、類似效果的設備，他們設備中的交互強度並不大。但是他說，研究小組目前正在研究，通過使用更小尺寸的磁體，以及製造更純淨的金剛石縫隙，他們應該能使相互作用強度達到10千赫左右。吉澤勒表示，若將磁體縮小10倍，他們還能直接觀測到設備中的量子效應。例如，電子和磁體之間的相互作用可以賦予磁體電子的量子屬性，即同時處於兩個位置。
法國Néel研究所的納米光學專家邦雅曼•皮若（Benjamin Pigeau）評價該演示是令人“印象深刻”的。就像吉澤勒和他的同事們一樣，皮若也認為此設備很有希望被用於研究宏觀物體的量子行為。考慮到被俘獲的磁體對磁場行為的敏感性，他還認為該設備可以用於製作精確的磁力計。
圖片來源：Pixabay
撰文：凱瑟琳·賴特（Katherine Wright）
翻譯：葉歡儀
審校：賀旎妮
原文鏈接：https://physics.aps.org/articles/v13/67
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