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科技之光：同步磁体和电子行为的新设备
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科技之光：同步磁体和电子行为的新设备
磁场感应。一个微小的悬浮磁体（图中蓝色和红色粒子）可与金刚石平板中的单个电子发生相互作用（图中黄色箭头）。用激光（绿色）监测的结果表明，电子会对磁体的运动产生反应。通过增加磁体-电子相互作用的强度，研究人员希望能够赋予磁体电子的量子特性，比如能够同时处于两个位置。图片来源：APS/Alan Stonebraker
一组研究人员演示了悬浮磁体和单个电子之间的磁耦合。该实验中电子被安置在金刚石晶体内，其发光情况的变化可反映磁体的运动。该团队目前正致力于通过缩小设备规格来提高磁体与电子相互作用的强度。研究人员认为这可以使他们探索最基本的量子问题，并可能对量子计算机的研究产生积极影响。
哈佛大学的扬•吉泽勒（Jan Gieseler）指出，诱导物体产生量子行为的一种方法是同时施加推拉物体的力，使其同时向左和向右移动。研究人员知道如何推拉单个原子，但不清楚怎样对较大的物体进行同样的操作。吉泽勒和他的同事们认为，他们的新设备可以在微米尺度的磁体中诱导出这种量子行为。新设备中磁体可在一个磁阱内左右摆动，该团队已经证明这种振动在可测量范围内改变了附近电子的能量。吉泽勒提出，通过增加这种相互作用的强度，磁体可以继承电子的量子行为，比如同时左右移动，这使研究人员得以测试大质量物体的量子力学规律。
为了制造实验需要的设备，吉泽勒和他的同事们在硅片上蚀刻了一个80微米深的坑，其形状类似于台球桌上的口袋。他们将一个15微米宽的球形磁体放入坑中，并在上面用金刚石覆盖填平。这些金刚石间含有一种形似原子的缝隙，称为氮空位中心，其中包含一个未配对的电子。研究人员用微波控制这些缝隙，本质上是使电子对磁体产生的磁场更加敏感。
为了让磁体靠近电子，研究人员在凹坑下方放置了一块氧化钇钡铜超导体板。永磁体受到超导体的排斥而被向上推，悬停在菱形封顶下方几十微米处。超导体的磁场也创造了一个可使磁体来回振动的限制环境。
研究小组运用了两种方法监测磁体的运动。第一种方法是录制磁体运动的高帧率视频，由此他们确定磁体的振动频率在1千赫左右。第二种方法是用绿光照射含有电子的缝隙，并记录下从缝隙发出的红光。实验发现由此发出的光的强度与磁体同频振荡，这证实了电子的行为对磁体的位置很敏感。吉泽勒说:“这是人们首次发现悬浮粒子与其外部的类原子缝隙相互作用。”
图片来源：Pixabay
通过比较视频和辐射数据，研究小组发现，电子-磁体相互作用强度为50兆赫。这个量通常用频率表示，因为它表示一个系统感知到另一个系统发生变化的速率。吉泽勒指出，相比于其他可产生20赫兹频率、类似效果的设备，他们设备中的交互强度并不大。但是他说，研究小组目前正在研究，通过使用更小尺寸的磁体，以及制造更纯净的金刚石缝隙，他们应该能使相互作用强度达到10千赫左右。吉泽勒表示，若将磁体缩小10倍，他们还能直接观测到设备中的量子效应。例如，电子和磁体之间的相互作用可以赋予磁体电子的量子属性，即同时处于两个位置。
法国Néel研究所的纳米光学专家邦雅曼•皮若（Benjamin Pigeau）评价该演示是令人“印象深刻”的。就像吉泽勒和他的同事们一样，皮若也认为此设备很有希望被用于研究宏观物体的量子行为。考虑到被俘获的磁体对磁场行为的敏感性，他还认为该设备可以用于制作精确的磁力计。
图片来源：Pixabay
撰文：凯瑟琳·赖特（Katherine Wright）
翻译：叶欢仪
审校：贺旎妮
原文链接：https://physics.aps.org/articles/v13/67
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