Физики впервые смогли наблюдать за тем, как магнитное ядро атома изменяет свой спин, что является значимым открытием для прогресса квантовых технологий — от сенсоров до симуляций на уровне отдельных атомов.
С помощью сканирующего туннельного микроскопа исследователи из Делфтского технологического университета (Нидерланды) смогли считывать ядерный «спин» — квантово-механический аналог магнетизма — через электроны того же атома. Ученые были удивлены тем, что спин оставался стабильным в течение нескольких секунд, что открывает новые горизонты для управления магнитными свойствами атомных ядер.
Сканирующий туннельный микроскоп (STM) является инструментом, способным «ощущать» отдельные атомы на поверхности материала при помощи острейшего зондового наконечника. Однако напрямую зафиксировать магнитное состояние ядра (его так называемый «спин») с помощью STM невозможно, так как прибор чувствителен лишь к облаку электронов, окружающих ядро. Тем не менее, именно это свойство электрона стало ключевым для разгадки: благодаря гиперсверхтонкому взаимодействию между ядерным и электронным спинами физики нашли способ «считывать» ядерный спин опосредованно.
Ранее подобный метод уже использовался, но измерения проводились слишком медленно, чтобы ученые могли уловить динамику в реальном времени. На этот раз команда профессора Сандера Отте решила значительно ускорить процесс. Исследователи Эверт Столте и Джинвон Ли провели серию экспериментов на атоме, который заведомо обладал ядерным спином. Им повезло: на экране компьютера они увидели четкий сигнал, который переключался между двумя уровнями — свидетельство того, что ядерный спин действительно «переворачивается» из одного квантового состояния в другое и обратно.
Самым поразительным оказалось то, что этот процесс занимает около пяти секунд — для квантовых систем это огромный срок. Для сравнения: электронный спин в том же атоме «живет» всего около ста наносекунд. Такая длительная стабильность открыла возможность так называемого «одноразового считывания» (single-shot readout), когда состояние можно зарегистрировать быстрее, чем оно успеет измениться, и почти не повлиять на него самой процедурой измерения.
«Первый шаг в любой новой экспериментальной области — это научиться измерять объект. И именно это мы сделали с ядерными спинами на атомном уровне», — отметил Столте. Теперь, когда исследователи научились наблюдать за столь тонким процессом в реальном времени, становится возможным следующий этап — управление ядерными спинами и использование их, например, в квантовых сенсорах или моделировании. Это важный шаг к будущим технологиям, в которых контроль за бесконечно малыми объектами предоставляет бесконечно большие возможности.
Фото: hi-tech.mail.ru