[論文レビュー] Magnetic levitation and spatial superposition of a nanodiamond with a current-carrying chip

千彰 大饗, Shafaq Gulzar Elahi+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2026

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ひとこと要約

要約: 本研究は NV センターを有するナノダイヤモンドを levitate させる電流伝導チップ方式を提案し、x 軸に沿った1次元の空間量子重ね合わせを生成して、QGEM 試験のためのマクロなシュレディンガー猫状態を目指す。

ABSTRACT

We propose a current-carrying-chip scheme for generating spatial quantum superpositions using a levitating nanodiamond with a built-in nitrogen-vacancy (NV) centre defect. Our setup is quite versatile and we aim to create the superposition for a mass range of $10^{-19}~{ m kg}< m< 10^{-15}~{ m kg}$ and a superposition size ${\cal O}(10) { m μm} < Δx < {\cal O}(1){ m nm}$, respectively, in $t\leq 0.1$s, depending on the position we launch from the center of the diamagnetic trap. We provide an in-depth analysis of two parallel chips that can create levitation and spatial superposition along the $x$-axis, while producing a very tight trap in the $y$ direction, and the direction of gravity, i.e., the $z$ direction. Numerical simulations demonstrate that our setup can create a one-dimensional spatial superposition state along the x-axis. Throughout this process, the particle is stably levitated in the z-direction, and its motion is effectively confined in the y-direction for a Gaussian initial condition. This setup presents a viable platform for a diamagnetically levitated nanoparticle for a table-top experiment exploring the possibility of creating a macroscopic Schrödinger Cat state to test the quantum gravity induced entanglement of masses (QGEM) protocol.

研究の動機と目的

• NV 設置ナノダイヤモンドの空間量子重ね合わせを作成するためのチップベースプラットフォームの動機付けと設計。
• y および z での浮揚と強い閉じ込めを示しつつ、x 方向の分離を制御可能にする。
• QGEM および関連する量子重力検査に適合する1次元の物質波干渉計を実現する。
• 0.1 s 未満の超位置生成が現実的なパラメータ領域を数値解析で示す。

提案手法

• 二つの並列ワイヤ系の四重極場を用いて z の浮揚と横方向の閉じ込め y を作り出す。
• NV スピンを磁場に結合させて、Stern–Gerlach に類似した機構で x 軸方向の質点分離を発生させる。
• 二つの on-chip H 構造上に配置された四本の浮揚用ワイヤ (B_L) と四本の分離用ワイヤ (B_S) からの磁場をモデル化する。
• 運動方程式を導出し、y および z で調和的な閉じ込め、x 方向にはほぼ平坦なポテンシャルを示す。
• NV スピンを x 軸方向に揃えるためのバイアス場 B_0 を取り入れ、B_x S_x の結合が支配的になるようにする。
• 分離場勾配 η_S の段階的な変化を伴う3段階の干渉計列を概説し、空間的な重ね合わせの生成と再結合を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のチップでNV センターを有するナノダイヤモンドの安定した二次磁性浮揚を実現できるか。
• RQ2 質量が10^{-19} kg から 10^{-15} kg の範囲で約0.1 s 程度の1次元空間重ね合わせを x 軸方向に作成・閉じることが可能か。
• RQ3 強い y,z の閉じ込めを保ちながら x 軸分割を制御可能とするパラメータ領域（電流、間隔、勾配）はどこか。
• RQ4 提案されたチップ設計は QGEM プロトコルに適したマクロなシュレディンガー猫状態を支援できるか。
• RQ5 このチップ内で重力と反磁性がどのように相互作用し、浮揚高さとトラップ安定性を決定するか。

主な発見

• 二芯チップ構成により y および z でほぼ調和的なトラップを作成し、x 方向には弱いトラップを形成できる。
• 質量 m = 10^{-19} kg の場合、η_L ≈ 10^5 T/m、ω_y ≈ ω_z ≈ 1.05×10^4 Hz で強い横方向閉じ込めを得る。
• 理想的条件下で約0.1 s で m = 10^{-19} kg の場合 Δx が約10–20 μm の範囲になる。
• 浮揚高度は z_L ≈ -0.0176 μm で、選択したパラメータ下で重力と反磁性力のバランスを取る。
• バイアス場 B_0 ≈ 0.5 T は NV スピンの整列を維持しつつ x 軸方向のスピン依存分離を可能にする。
• 数値シミュレーションは x 軸方向の1次元空間重ね合わせを生成・再結合できる能力を示す。