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Quantenspins haben erstmals ein zentimetergroßes Objekt verschoben
Kleine Quanteneigenschaft, überraschend großer Effekt: Forscher haben Elektronenspins in einem Diamanten genutzt, um einen schwebenden, 128 Milligramm schweren Versuchsaufbau gezielt in Bewegung zu versetzen. Die Schwingungen erreichten rund 100 Nanometer. Das Experiment zeigt damit eine messbare Kraftwirkung in einer bisher schwer zugänglichen Größenordnung, allerdings noch keine Quantenüberlagerung des gesamten Objekts.
Onna (Japan). In der Quantenwelt können winzige Teilchen Eigenschaften zeigen, die vertrauten Gegenständen fremd sind. Bei großen Objekten wird es jedoch schwierig, solche Effekte nachzuweisen. Denn Wärme, Luftmoleküle und kleinste Erschütterungen überlagern die empfindlichen Quantensignale meist schon, bevor sich ihre Wirkung messen lässt.
Besonders reizvoll wäre es, Quantenphänomene an Körpern zu untersuchen, bei denen auch die Schwerkraft eine wichtige Rolle spielt. Dafür müssen Forscher winzige quantenmechanische Kräfte mit deutlich schwereren Objekten koppeln. Ob eine solche Kraft allein ein frei schwebendes Gebilde kontrolliert bewegen kann, war bislang kaum experimentell zugänglich.
Forscher des Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) um Anshuman Nayak haben nun genau das demonstriert. Sie nutzten die magnetischen Eigenschaften von Elektronenspins in einem Diamanten, um ein schwebendes System gezielt auf und ab schwingen zu lassen. Die Gesamtmasse des Aufbaus beträgt 128 Milligramm.
Das Herzstück des Experiments ist ein Diamantplättchen von nur drei mal drei Millimetern Fläche und einem halben Millimeter Dicke. In seinem Kristallgitter befinden sich zahlreiche sogenannte Stickstoff-Fehlstellen-Zentren. Dort sitzt jeweils ein Stickstoffatom neben einer Lücke im Kohlenstoffgitter. Die zugehörigen Elektronenspins wirken wie winzige, quantenmechanisch steuerbare Magnete.
Der Diamant hängt an einem fünf Zentimeter langen Kohlefaserstab unter einer Graphitplatte. Diese misst einen Zentimeter in der Breite und schwebt dank ihrer diamagnetischen Eigenschaften über einer Anordnung von Permanentmagneten. Dabei wird Graphit von dem äußeren Magnetfeld abgestoßen, sodass das gesamte Gebilde ohne mechanische Aufhängung getragen wird.
Ein weiterer Magnet unter dem Diamanten erzeugt ein räumlich unterschiedlich starkes Magnetfeld. Ändert sich der Zustand der Elektronenspins, verändert sich damit auch die Kraft, die auf den Diamanten wirkt. Diese Bewegung überträgt sich über den Stab auf die schwebende Graphitplatte.
Um die winzige Kraft gezielt zu verändern, beleuchtete das Team den Diamanten mit grünem Laserlicht der Wellenlänge 532 Nanometer. Das Licht versetzt die Elektronenspins wiederholt in einen bestimmten Zustand. Wird der Laser periodisch an- und ausgeschaltet, wechselt dadurch auch die magnetische Kraft auf den Diamanten.
Die Forscher stimmten die Lichtpulse auf die Eigenfrequenz des schwebenden Aufbaus von 17,6 Hertz ab. So verstärkte sich die Bewegung bei jeder Anregung. Mit einem empfindlichen Laser-Messverfahren, der Interferometrie, registrierte das Team in Luft Schwingungen von ungefähr 100 Nanometern. Das entspricht einem Zehntausendstel Millimeter.
Die Bewegung war deutlich stärker als die zufälligen Erschütterungen durch die Wärmebewegung der Umgebung. Aus den Messungen leitete das Team eine spinabhängige Kraft von mehr als fünf Nanonewton ab. Der Wert ist winzig, genügt aber, um den vergleichsweise schweren Resonator messbar anzutreiben.