重了一亿倍的量子跃迁：冲绳物理学家首次用电子自旋驱动100毫克宏观悬浮钻石

一束绿光打在钻石上，钻石自己上下跳动了起来。

它没有挂在细线上，没有任何机械扯着它。 这是一颗一厘米宽、重 100 毫克的钻石，就这么凭空漂在真空里。 推着它上下来回跳的，只有钻石内部电子的自旋。

这听起来甚至有点违背直觉。 电子自旋，平时是量子力学里的概念。 那是微观世界的事情，力道微弱到不可思议。 怎么可能推得动一块能拿在手里的钻石？ 有没有搞错？

日本冲绳科学技术大学院大学（OIST）的物理团队，刚刚把这项成果发表在《科学进展》（Science Advances）上。 带队的杰森·特瓦姆利（Jason Twamley）教授和安舒曼·纳亚克（Anshuman Nayak）他们，真就把这个装置搭出来了。 而且这颗钻石的重量，比之前人类用自旋力移动过的任何物体，重了整整一亿倍。

把这套实验装置拆开看，每一步都设计得非常巧妙。 要让这么微弱的量子力显形，第一步必须把外界所有的机械阻力彻底清零。 怎么清零？ 悬浮。 研究团队把一块热解石墨和钻石贴合在一起，放在特制永磁体上方。 石墨具有极强的抗磁性，磁场自下而上一顶，整块装置就凭空悬浮在半空。 再把整套系统抽成超高真空。 没有绳子拉着，没有基座粘着，连空气阻力都没有。 只要外界有一丝极其微弱的推力，它就能敏锐地晃动。

机械阻力清零了，那推力从哪来？ 秘密就在这颗钻石肚子里。 它和珠宝店里纯净无瑕的天然钻石完全不同，这是一颗人工定制的钻石。 普通钻石全是碳原子规整排列。 但这颗钻石里，物理学家专门掺进了一批特殊的缺陷，叫氮空位色心（NV 色心）。 晶格里原有的两个碳原子被拿掉。 一个空位补上氮原子，另一个空位干脆空着。 在这个微小的结构陷阱里，困着一对未成对的电子。

电子自带一种内禀角动量，也就是量子自旋。 你可以把每个电子想象成一根极小极小的指南针。 它有自己的微观磁矩。 平时，钻石里几百亿个缺陷里的电子，磁针指向乱七八糟，整体磁场互相抵消，什么动静也没有。 但物理学家拿一束 532 纳米的绿色激光脉冲打进去。 这就是物理学上的光泵浦。 绿光像一把整齐的梳子，瞬间把这些电子的自旋梳理一致，强制它们全部进入特定的基态。 脉冲一过，磁状态改变。 脉冲再来，磁状态又被重置。 这几百亿根微观指南针，第一次在同一瞬间朝同一个方向发力。

光有磁针还不够，怎么把磁性变成上下的推力？ 答案在下方的磁场结构里。 磁铁制造了一个极其陡峭的磁场梯度，下面磁场强，上面磁场弱。 物理学里的斯特恩·盖拉赫效应告诉我们：磁针处在不均匀磁场里，就会受到机械推拉。 当绿激光脉冲周期性打入钻石，内部电子自旋整齐切换，整颗钻石受到的磁力也跟着剧烈起伏。 单个电子产生的自旋力小得可怜，大概只有十的负二十一次方牛顿。 这个力道，连推动一个细菌都远远不够。 但物理学家让激光脉冲的频率，精准对准了悬浮钻石系统的固有共振频率。 就像推秋千一样。 每一次绿光闪烁，电子自旋就整齐地在共振点蹬一下脚。 微观量子力一轮轮叠加放大。 最终，这块重达 100 毫克、肉眼看得清清楚楚的钻石，在真空里上下跳动的幅度，直接超过了 100 纳米。

超过 100 纳米，对微观粒子来说已经是巨大的位移。 在这项实验之前，全世界物理学家用电子自旋力推动过的最大目标，无非是单个原子、离子，或者显微镜下才能看清的纳米颗粒。 重量全在飞克或皮克量级。 而冲绳团队推动的，是整整 100 毫克。 这在质量上跨越了整整 8 到 9 个数量级，重了一亿倍。 一亿倍的跨度，等于你原本只能用呼吸吹动一粒灰尘，现在用同样的原理，直接推开了一辆汽车。

物理学家大费周章做这个实验，当然不只是为了看钻石跳舞。 他们真正要叩开的，是现代物理学天空中最大的那堵墙。 在微观尺度，量子力学说了算，粒子可以叠加，可以纠缠，充满概率。 但在宏观尺度，广义相对论和引力说了算，万物位置确定，轨道分明。 这两套理论彼此冲突了一百年，谁也没法说服谁。 根本原因就在于，我们找不到既属于量子、又属于宏观的实验对象。 以往的量子粒子太轻，地球引力根本不屑于影响它。 而现实中的宏观物体又太重太乱，量子相干性一瞬间就会被环境噪声摧毁。 这颗悬浮钻石，恰恰把脚踩在了两个世界的边界上。 100 毫克，已经沉重到地球引力必须对它产生不可忽略的作用。 但同时，它又能被微观层面的电子自旋直接驱动。 当实验体系进一步降温、排除热噪声之后，物理学家就有可能让这个宏观重物进入量子叠加态。 到那时，困扰物理学界的终极谜题就有望在实验台上揭晓： 引力本身到底具不具备量子属性？ 宏观引力会不会就是让微观量子叠加态塌缩的真正元凶？

甚至在精密测量工程上，这也是下一代极限传感器的起点。 漂浮在虚空里、几乎不受任何机械摩擦干扰的晶体，对极微弱的外力极度敏感。 未来探测暗物质粒子的幽灵般碰撞，或者捕捉高频引力波的微弱涟漪，可能全要依赖这样的系统。 从微观深处几百亿个电子的整齐转身，到眼前一颗钻石的真实起伏。 微观的量子力，第一次在宏观引力面前硬碰硬地显出了身形。