[论文解读] 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

Mechanical and Optical Resonators被引用 0

一句话总结

论文提出一种带电流芯片方案，通过使带 NV 载体的纳米金刚石实现磁悬浮并沿 x 方向产生一维空间量子叠加，旨在用于 QGEM 测试的宏观薛定谔猫态。

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.

研究动机与目标

• 为在芯片平台上创建带 NV 中心的纳米金刚石的空间量子叠加提供动机与设计方案。
• 在 y、z 方向实现悬浮与强约束，同时实现沿 x 的可控分离。
• 使其成为适用于 QGEM 及相关量子引力测试的一维物质波干涉仪。
• 提供数值分析，展示在亚 0.1 s 叠加创建的可行参数范围。

提出的方法

• 使用两组平行导线构成的四极场，在 z 方向实现悬浮，在 y 方向实现横向约束。
• 将 NV 自旋与磁场耦合，通过类 Stern–Gerlach 机制实现沿 x 方向的自旋相关质心分离。
• 建模来自四根悬浮导线（B_L）和四根分离导线（B_S）的磁场，它们布置在两个芯片上的 H 结构上。
• 推导运动方程，显示在 y、z 方向的简谐约束以及在 x 方向几乎平坦的势能。
• 加入基准场 B_0，使 NV 自旋沿 x 方向对齐，并确保 B_x S_x 耦合占主导。
• 概述一个三阶段干涉序列，在分离场梯度 η_S 的分阶段变化下实现并重合沿 x 轴的空间叠加。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前带电流芯片是否能稳定实现带 NV 中心的纳米金刚石的 diamagnetic 悬浮？
• RQ2 是否可在 ~0.1 s 内为质量在 10^{-19} 至 10^{-15} kg 范围内的体系创建并闭合沿 x 轴的一维空间叠加？
• RQ3 在何种参数区间（电流、间距、梯度）能实现强烈的 y、z 约束并同时实现对 x 轴的受控分裂？
• RQ4 所提芯片设计是否能够承载适用于 QGEM 协议的宏观薛定谔猫态？
• RQ5 在该芯片中 gravedad 与 diamagnetism 如何相互作用以确定悬浮高度和阱稳定性？

主要发现

• 两芯片布置可以在 y、z 方向产生近似简谐阱，在 x 方向产生较弱的阱。
• 对于 m = 10^{-19} kg，若 η_L ≈ 10^5 T/m，ω_y ≈ ω_z ≈ 1.05×10^4 Hz，可获得强烈的横向约束。
• 在理想条件下，约在 ~0.1 s 内，m = 10^{-19} kg 时，Δx 可达到 10–20 μm 的量级。
• 在所选参数下，悬浮高度 z_L ≈ -0.0176 μm，.gravity 与 diamagnetic 力平衡所致。
• 基准场 B_0 ≈ 0.5 T 有助于维持 NV 自旋对齐，同时实现 x 轴自旋相关分离。
• 数值仿真表明能够在 x 轴方向生成并重合一维空间叠加。