Kvantni spinski potisak pomaknuo je objekt težak 128 miligrama

Kvantni svijet obično povezujemo s česticama, atomima i sustavima toliko malima da ih ne možemo vidjeti golim okom. Nova studija pokazuje, međutim, da se učinak kvantnih spinskih stanja može pretvoriti u mjerljivo gibanje objekta koji je, u usporedbi s ranijim pokusima, iznenađujuće velik.

Istraživači su koristili mehanički oscilator mase 128 miligrama. Sastavljen je od dijamantske pločice s velikim brojem dušik-vakancija, poznatih kao NV-centri, i grafitne ploče koja je mogla levitirati zahvaljujući dijamagnetskim svojstvima. Sustav je ovješen u magnetskom gradijentu i pažljivo zaštićen od vibracija, topline i drugih smetnji.

NV-centri su posebne greške u kristalnoj strukturi dijamanta. Njihova spinska stanja mogu se kontrolirati svjetlom i očitavati magnetskim mjerenjima. U novom pokusu zeleni laser periodički je pobuđivao te centre. Kada su se vraćali prema ravnotežnom stanju, mijenjao se njihov magnetski moment. U magnetskom gradijentu ta je promjena stvarala periodičnu silu.

Sila je bila vrlo mala, ali dovoljno pravilna da pokrene središte mase oscilatora. Pomak je mjeren interferometrom, uređajem koji pomoću laserske zrake registrira iznimno sitne promjene udaljenosti. U zraku je izmjeren pomak veći od 100 nanometara, dok je u vakuumu amplituda dosezala približno 1,5 mikrometara. U oba slučaja ključna je bila kontrola okoliša, jer bi obične vibracije lako prekrile signal.

Naslovi o ovom pokusu mogu stvoriti pogrešan dojam da je veliki objekt stavljen u kvantnu superpoziciju. To se nije dogodilo. Pomak oscilatora bio je klasično mehaničko gibanje, dok je sila koja ga je pokrenula potjecala od kontroliranih spinskih stanja u dijamantu. Razlika je važna: istraživanje pokazuje kako se kvantni izvor može povezati s većim mehaničkim sustavom, ali ne znači da se cijeli objekt istodobno nalazio na više mjesta.

Znanstveni je značaj u povećanju razmjera. Raniji spinsko-mehanički eksperimenti bavili su se mnogo manjim sustavima. Objekt od 128 miligrama nije velik u svakodnevnom smislu, ali predstavlja velik korak u odnosu na mikroskopske komponente. Autori time pokazuju da se kolektivno ponašanje velikog broja spinova može pretvoriti u silu koju je moguće izmjeriti na mehaničkom rezonatoru.

Eksperiment također pokazuje koliko su važne precizne tehnike mjerenja. Magnetska zaštita smanjila je neželjene utjecaje, a konstrukcija sustava pomogla je prigušiti mehaničke smetnje. Bez takve kontrole bilo bi teško dokazati da pomak doista dolazi od spinske sile, a ne od zagrijavanja, vibracija ili elektroničkog šuma.

Buduća istraživanja mogla bi pokušati poboljšati kontrolu oscilatora i povezati spinske sustave s još osjetljivijim mehaničkim elementima. To bi moglo biti važno za razvoj kvantnih senzora, preciznih mjernih uređaja i istraživanje granice između kvantne fizike i klasičnog svijeta. Ipak, do praktičnih uređaja dug je put.

Najbolje je ovu studiju razumjeti kao demonstraciju prijenosa sile, a ne kao rušenje granice između velikog i malog. Kvantni spinovi nisu pomaknuli stol ili kuglu u svakodnevnom smislu, ali su uspjeli proizvesti kontrolirani pomak miligramskog oscilatora. Upravo takvi pažljivo izmjereni koraci omogućuju znanstvenicima da kvantne pojave postupno uvedu u nove, veće sustave.