Wissenschaftler des Okinawa Institute of Science and Technology haben in einem Laborexperiment ein zentimetergroßes Diamant-Resonator-Objekt mit einem Gewicht von rund 100 Milligramm allein durch Quantenspins bewegt. Die am 7. Oktober 2026 veröffentlichte Untersuchung markiert die erste direkte Manipulation eines makroskopischen, der Schwerkraft unterliegenden Objekts durch Quanteneffekte.
In einem Labor auf der japanischen Insel Okinawa ist ein rund ein Zentimeter breiter Diamant durch nichts als den Quantenspin seiner eigenen Elektronen bewegt worden. Das Team des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) fixierte den Diamanten in einem Resonator mit einer Masse von etwa 100 Milligramm und lenkte ihn über die Kraft von Elektronenspindefekten aus. Die Ergebnisse erschienen in Science Advances und überbrücken einen Abstand von acht bis neun Größenordnungen im Vergleich zu bisherigen spin-mechanischen Versuchen.
Stickstoff-Fehlstellen und Laseranregung im OIST-Labor
Das Experiment stützt sich auf eine Kombination bewährter Komponenten aus vorherigen Laborarbeiten. Im Kern steht ein Diamant, der mit Milliarden von sogenannten Stickstoff-Fehlstellen, den Stickstoff-Vakanz-Zentren (NV-Zentren), durchsetzt ist. Diese Kristalldefekte umschließen ungepaarte Elektronen, die durch ihren Quantenspin als winzige Magnete agieren. Sie sind in der Quantenphysik begehrt, da sie bei Raumtemperatur über lange Kohärenzzeiten verfügen und Quantenüberlagerungen stabiler aufrechterhalten als viele alternative Systeme. Der Aufbau umfasst zudem eine diamagnetisch levitierte Graphitplatte mit einem kleinen Spiegel, die durch eine Kohlenstoffstange mit dem Diamanten verbunden ist. Ein Interferometer erfasst die Positionsveränderungen mit Pikometer-Präzision, während das Team die Resonator-Position verfolgt.
NV diamonds are well understood and easy to control.
Anshuman Nayak, Erstautor und Doktorand am OIST, via Bioengineer
Mechanischer Impuls aus Quanteneffekten
Die gemessene mechanische Verschiebung war klassischer Natur. Professor Jason Twamley von der OIST Quantum Machines Unit bezeichnete das Resultat als a large classical response from a small quantum effect
.
Eine quantenmechanische Kraft erzeugte folglich einen messbaren physikalischen Impuls an einem mit bloßem Auge sichtbaren Objekt, das deutlich massereicher ist als die Vorrichtungen in früheren spin-mechanischen Experimenten. Bisherige Experimente zur Testbarkeit der Quantenmechanik beschränkten sich überwiegend auf subatomare oder wenige Nanometer große Strukturen. Größere Objekte entziehen sich solchen Versuchen, da sie anfälliger für Umwelteinflüsse wie Hitze und Vibrationen sind. Um diese Hürden zu umgehen, verfolgt das OIST-Team den entgegengesetzten Ansatz im Vergleich zu konventionellen optischen Fallen.
Anshuman Nayak, Erstautor und Doktorand am OIST, erklärte, dass zur Testung der Quantennatur der Schwerkraft Objekte mit ausreichend großen Massen in eine Quantenüberlagerung gebracht werden müssten. Zudem müssten diese Objekte im Vakuum schweben, um den Einfluss von Umgebungsgeräuschen zu minimieren.
Diamagnetische Schwebebahn-Technik im Quantenmaßstab
Anstatt winzige Objekte schrittweise im Gewicht zu steigern, nutzt das Team diamagnetische Levitation, die berührungsfreie Aufhängung zentimetergroßer Gegenstände ohne Kryotechnik oder Vakuumfallen. Ähnlich wie Magnetfeldkräfte bei Magnetschwebebahnen wirken, trägt dieses Prinzip die Vorrichtung, während die Gravitation stark bleibt, aber Quantenphänomene an Makroobjekten bisher verborgen blieben. Das Team sieht in dem aufgebauten System eine experimentelle Grundlage, um künftige Theorien zur Quantengravitation und makroskopischen Superposition zu prüfen.
Die Forscher betonen, dass lediglich eine weitere Größenordnung nötig sei, um Schrödinger-Katzen-Zustände in der realen Welt zu beobachten.
Anshuman Nayak, Erstautor und Doktorand am OIST, erklärte, dass der typische Ansatz darin bestanden habe, bei extrem kleinen, schwebenden Objekten zu beginnen und deren Masse schrittweise zu erhöhen, bis die Auswirkungen der Schwerkraft relevant werden. Das Schwebenlassen makroskopischer Objekte mit herkömmlichen Techniken wie optischen Fallen habe sich als extrem schwierig erwiesen.
Deshalb befände sich das Team im gegnerischen Lager – sie gingen vom Großen zum Kleinen.
Diese Entwicklung könnte letztlich dazu beitragen, die Grenzen zwischen der klassischen Physik und der Quantenmechanik in größeren Maßstäben experimentell zu überwinden und neue Erkenntnisse zu gewinnen.
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