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科技之光：同步磁體和電子行為的新設(shè)備

來源：環(huán)球科學(xué)

發(fā)布時(shí)間：2021-06-16

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科技之光：同步磁體和電子行為的新設(shè)備

磁場(chǎng)感應(yīng)。一個(gè)微小的懸浮磁體（圖中藍(lán)色和紅色粒子）可與金剛石平板中的單個(gè)電子發(fā)生相互作用（圖中黃色箭頭）。用激光（綠色）監(jiān)測(cè)的結(jié)果表明，電子會(huì)對(duì)磁體的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生反應(yīng)。通過增加磁體-電子相互作用的強(qiáng)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(shí)處于兩個(gè)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(gè)電子之間的磁耦合。該實(shí)驗(yàn)中電子被安置在金剛石晶體內(nèi)，其發(fā)光情況的變化可反映磁體的運(yùn)動(dòng)。該團(tuán)隊(duì)目前正致力于通過縮小設(shè)備規(guī)格來提高磁體與電子相互作用的強(qiáng)度。研究人員認(rèn)為這可以使他們探索最基本的量子問題，并可能對(duì)量子計(jì)算機(jī)的研究產(chǎn)生積極影響。

哈佛大學(xué)的揚(yáng)?吉澤勒（Jan Gieseler）指出，誘導(dǎo)物體產(chǎn)生量子行為的一種方法是同時(shí)施加推拉物體的力，使其同時(shí)向左和向右移動(dòng)。研究人員知道如何推拉單個(gè)原子，但不清楚怎樣對(duì)較大的物體進(jìn)行同樣的操作。吉澤勒和他的同事們認(rèn)為，他們的新設(shè)備可以在微米尺度的磁體中誘導(dǎo)出這種量子行為。新設(shè)備中磁體可在一個(gè)磁阱內(nèi)左右擺動(dòng)，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明這種振動(dòng)在可測(cè)量范圍內(nèi)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(qiáng)度，磁體可以繼承電子的量子行為，比如同時(shí)左右移動(dòng)，這使研究人員得以測(cè)試大質(zhì)量物體的量子力學(xué)規(guī)律。

為了制造實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)備，吉澤勒和他的同事們?cè)诠杵衔g刻了一個(gè)80微米深的坑，其形狀類似于臺(tái)球桌上的口袋。他們將一個(gè)15微米寬的球形磁體放入坑中，并在上面用金剛石覆蓋填平。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(gè)未配對(duì)的電子。研究人員用微波控制這些縫隙，本質(zhì)上是使電子對(duì)磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)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(dǎo)體板。永磁體受到超導(dǎo)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(dǎo)體的磁場(chǎng)也創(chuàng)造了一個(gè)可使磁體來回振動(dòng)的限制環(huán)境。

研究小組運(yùn)用了兩種方法監(jiān)測(cè)磁體的運(yùn)動(dòng)。第一種方法是錄制磁體運(yùn)動(dòng)的高幀率視頻，由此他們確定磁體的振動(dòng)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，并記錄下從縫隙發(fā)出的紅光。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)由此發(fā)出的光的強(qiáng)度與磁體同頻振蕩，這證實(shí)了電子的行為對(duì)磁體的位置很敏感。吉澤勒說:“這是人們首次發(fā)現(xiàn)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(shù)據(jù)，研究小組發(fā)現(xiàn)，電子-磁體相互作用強(qiáng)度為50兆赫。這個(gè)量通常用頻率表示，因?yàn)樗硎疽粋€(gè)系統(tǒng)感知到另一個(gè)系統(tǒng)發(fā)生變化的速率。吉澤勒指出，相比于其他可產(chǎn)生20赫茲頻率、類似效果的設(shè)備，他們?cè)O(shè)備中的交互強(qiáng)度并不大。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，以及制造更純凈的金剛石縫隙，他們應(yīng)該能使相互作用強(qiáng)度達(dá)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(cè)到設(shè)備中的量子效應(yīng)。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(shí)處于兩個(gè)位置。

法國(guó)Néel研究所的納米光學(xué)專家邦雅曼?皮若（Benjamin Pigeau）評(píng)價(jià)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(rèn)為此設(shè)備很有希望被用于研究宏觀物體的量子行為。考慮到被俘獲的磁體對(duì)磁場(chǎng)行為的敏感性，他還認(rèn)為該設(shè)備可以用于制作精確的磁力計(jì)。

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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