Ученые смогли управлять квантовыми состояниями ядра атома титана с помощью сканирующего туннельного микроскопа, что может способствовать разработке квантовой памяти.
Физики из Делфтского технического университета совместно с коллегами продемонстрировали возможность управления ядерным спином одиночного атома титана. Для этого исследователи использовали локальный зонд, который позволил переключать состояния ядра даже при минимальном взаимодействии с электронными состояниями. Результаты данного эксперимента опубликованы в журнале Nature Communications.
Спин — это квантовая характеристика частицы, определяющая ее магнитные свойства. В атомах как электроны, так и ядра обладают этим свойством. Ядерный спин менее подвержен влиянию окружающей среды, благодаря чему он может дольше сохранять квантовую информацию. Однако данная особенность усложняет управление им и считывание его состояния.
В эксперименте ученые использовали сканирующий туннельный микроскоп, который позволяет воздействовать на отдельные атомы с помощью электрических сигналов. Для исследования был выбран изотоп титан-47. Его ядро имеет спин 5/2 и может находиться в нескольких энергетических состояниях.
Чтобы управлять ядерным спином, команда адаптировала метод двойного электронно-ядерного резонанса. Этот метод предполагает использование двух сигналов с различными частотами, которые позволяют отдельно воздействовать на переходы между электронными и ядерными состояниями. Такой подход также предоставил возможность исследовать взаимодействие этих двух систем.
Для перевода частицы из одного состояния в другое необходимо подобрать частоту сигнала, соответствующую разнице энергий между состояниями. В случае ядерного спина эта разница значительно ниже, чем при переходах электронов. Сопоставив экспериментальные данные с теоретическими расчетами, физики смогли проанализировать влияние электрона и локального электрического окружения на ядро атома.
В ходе работы было установлено, что переходы между ядерными состояниями сохраняются даже при слабом смешивании с электронными состояниями. Это оказалось важным открытием: объяснить воздействие зонда на ядро только через взаимодействие с электронным спином не удалось. Исследователи полагают, что механизм этого процесса требует дальнейшего изучения.
Полученные результаты расширяют возможности исследования отдельных атомных ядер и могут быть полезны при создании квантовой памяти. Однако на данный момент ученые продемонстрировали только управление спином отдельного атома, не разработав готовое устройство для хранения информации. Для практического применения технологии необходимо лучше понять механизм воздействия сигналов зонда на ядерные состояния.
Фото: hi-tech.mail.ru