普渡大学的物理学家们正在举办世界上最小的迪斯科派对。迪斯科球本身是一颗荧光纳米钻石，他们将其悬浮并以极高的速度旋转。荧光钻石在旋转时会向不同方向发射和散射多色光。派对继续进行，他们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院和电子与计算机工程学院教授李统仓领导，其研究成果发表在《自然通讯》杂志上。评论家们将这项研究成果描述为“旋转量子系统和悬浮动力学研究的开创性时刻”和“悬浮光力学界的全新里程碑”。

“想象一下微小的钻石漂浮在空旷的空间或真空中。这些钻石内部有自旋量子比特，科学家可以利用它们进行精确测量，探索量子力学和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，针对这些悬浮钻石的实验很难防止它们在真空中丢失，也很难读出自旋量子比特。然而，在我们的工作中，我们成功地利用一种特殊的离子阱将钻石悬浮在高真空中。这是我们首次能够在高真空中观察和控制悬浮钻石内部自旋量子比特的行为。”

研究团队让钻石以极快的速度旋转——每分钟高达 12 亿次!通过这种方式，他们能够观察到旋转如何以一种独特的方式(称为 Berry 相)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。”

这些荧光纳米金刚石的平均直径约为 750 纳米，是通过高压高温合成而成的。这些金刚石经高能电子辐照后，形成氮空位色心，其中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，用来读取它们的电子自旋状态。另一束透视 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，散射透视 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钻石颗粒。通过施加到四个角电极上的交流电压，荧光钻石纳米颗粒被驱动以高速(高达 12 亿转/分)旋转。这种快速旋转在钻石内部的氮空位电子自旋中引发了一个相位。左上角的图表描绘了钻石内部氮空位自旋缺陷的原子结构。图片来源：Kunhong Shen。

这篇论文的作者大多来自普渡大学，是李的研究小组成员：金元斌(博士后)、沈昆红(博士生)、高星宇(博士生)和鞠鹏(应届博士毕业生)。李、金、沈和鞠构思并设计了这个项目，金和沈建立了装置。

金随后进行了测量和计算，团队共同讨论了结果。两位非普渡大学的作者是桑迪亚国家实验室的首席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祖冲。李的团队与格林和祖冲讨论了实验结果，他们为实验和手稿的改进提出了建议。

“对于我们集成式表面离子阱的设计，”金解释说。“我们使用商业软件 COMSOL Multiphysics 进行 3D 模拟。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，以便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一层 300 纳米厚的金层，以形成表面离子阱的电极。”

那么钻石是以什么方式旋转的?它们的速度或方向可以控制吗?沈说可以，他们可以调整旋转方向和悬浮状态。

“我们可以调节驱动电压来改变旋转方向，”他解释道。“悬浮的钻石可以绕着 z 轴(垂直于离子阱表面)旋转，如示意图所示，根据我们的驱动信号，可以顺时针或逆时针旋转。如果我们不施加驱动信号，钻石就会像毛线球一样全方位旋转。”

嵌入自旋量子位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，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 世纪最重要的两项科学突破。然而，我们仍然不知道引力如何量化，”李说。“实现通过实验研究量子引力的能力将是一个巨大的突破。此外，嵌入自旋量子位的旋转钻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粒子可以作为出色的加速度计和电场传感器。例如，美国空研究实验室 (AFRL) 正在使用光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，用于悬浮光机械的研究，”李说。“我们有两个专门的自制系统，专门用于这一研究领域。此外，我们可以使用 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。我们也很幸运拥有能够进行前沿研究的优秀学生和博士后。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取得了快速的进步。”