李统藏教授团队在悬浮光力学领域取得了新的里程碑，他们观察了在真空中悬浮的纳米级钻石中电子自旋的贝里相位。

普渡大学的物理学家们正在举办世界上最小的迪斯科舞会。迪斯科球本身是一个荧光纳米钻石，他们将它悬浮起来，以极高的速度旋转。随着旋转，荧光钻石向不同方向发射和散射多色光。当他们研究快速旋转对其系统中自旋量子比特的影响时，舞会继续进行，并且他们能够观察到贝里相位。

该团队由普渡大学物理学、天文学和电气与计算机工程教授童仓领导，在《自然通讯》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“旋转量子系统和Levitodynamics研究的突破性时刻”和“Levitated光力学社区的新里程碑”。

“想象一下微小的钻石漂浮在空旷的空间或真空环境中。在这些钻石内部，存在自旋量子比特，科学家可以利用它们进行精确测量并探索量子力学与重力之间的神秘关系，”利解释说，他也是普渡大学量子科学与工程研究所的成员。“过去，使用这些漂浮的钻石进行实验时，存在在真空中防止其丢失和读取自旋量子比特的困难。然而，在我们的工作中，我们使用了一种特殊的离子阱，成功地在高真空环境中悬浮了一颗钻石。我们首次能够观察和控制悬浮钻石内部自旋量子比特在高真空环境中的行为。”

观察贝里相

研究团队让钻石以难以置信的速度旋转——每分钟高达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。

他说：“这一突破有助于我们更好地理解和研究迷人的量子物理世界。”

荧光纳米金刚石是通过高压高温合成工艺制造的，平均直径约为750纳米。用高能电子辐射这些金刚石可以形成氮空位色心，进而产生电子自旋量子比特。当绿色激光照射它们时，会发出红光，用来读取它们的电子自旋态。用额外的红外激光照射悬浮的纳米金刚石，可以监测其旋转情况。当纳米金刚石旋转时，散射的红光方向也会改变，类似于迪斯科球的效果，这样就可以获得纳米金刚石的旋转信息。

本文的作者主要来自普渡大学，是李的研究小组成员：金元斌（博士后）、沈坤宏（博士生）、高星宇（博士生）和鞠鹏（最近毕业的博士生）。李、金、沈和鞠共同构思并设计了该项目，金和沈负责建立实验装置。随后，金进行了测量和计算，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技术人员亚历杭德罗·格林和圣路易斯华盛顿大学的助理教授崇祖。李的团队与格林和崇祖讨论了实验结果，他们为实验的改进和手稿的撰写提供了建议。

“为了设计我们的集成表面离子阱，”金（Jin）解释说，“我们使用了一种商业软件COMSOL Multiphysics进行3D模拟。我们使用不同的参数来计算俘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控制悬浮金刚石的运动。在制造方面，表面离子阱是在蓝宝石晶片上通过光刻工艺制成的。在蓝宝石晶片上沉积了一层300纳米厚的金层，以制造表面离子阱的电极。”

控制钻石旋转

那么钻石是如何旋转的，可以对其速度或方向进行操纵吗？沈教授表示可以调整其旋转方向和悬浮高度。

“我们可以调整驱动电压来改变旋转方向，”他解释道。“悬浮的金刚石可以围绕Z轴（垂直于离子阱的表面）旋转，示意图中已经展示，可以顺时针旋转也可以逆时针旋转，这取决于我们的驱动信号。如果我们不应用驱动信号，那么金刚石就会像一团纱线一样全方位旋转。”

已提议使用嵌入自旋量子比特的悬浮纳米金刚石进行精确测量，并创建大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世纪最重要的两大科学突破。然而，我们仍然不知道如何将重力量子化，”李说。“具备实验研究量子重力的能力将是一个巨大的突破。此外，旋转嵌入自旋量子比特的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。李表示，真空中的悬浮微纳米颗粒可以作为优秀的加速度计和电场传感器。例如，美国空军研究实验室 (AFRL) 正在利用光学悬浮纳米颗粒开发导航和通信中的关键问题解决方案。

“在普渡大学，我们拥有用于悬浮光力学的最先进的研究设施，”李说。“我们有两个专门用于该研究领域的自建系统。此外，我们还可以使用Birck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表面离子阱。我们也很幸运地拥有能够进行前沿研究的有才华的学生和博士后研究员。此外，我的团队已经在这个领域工作了十年，我们丰富的经验使我们能够取得快速的进展。”

参考：袁斌进、申昆宏、琚鹏、高兴宇、祖冲、Alejandro J. Grine和李统仓于2024年6月13日在《自然通讯》上发表了题为“高真空条件下旋转悬浮金刚石中电子自旋的量子控制和贝里相位”的文章。DOI：10.1038/s41467-024-49175-3

这项研究得到了国家科学基金会（项目编号PHY-2110591）、海军研究办公室（项目编号N00014-18-1-2371）和戈登与贝蒂·摩尔基金会（项目编号DOI 10.37807/gbmf12259）的支持。该项目还得到了桑迪亚国家实验室实验室定向研发计划的部分支持。