Исследователям из Делфтского технологического университета в Нидерландах удалось инициировать контролируемое движение в сердце атома, что может изменить способ хранения и манипулирования квантовой информацией.
Атом — это фундаментальная единица материи, состоящая из центрального ядра, состоящего из протонов и нейтронов, вокруг которого притягиваются электроны. Эти электроны движутся в определенных слоях вокруг ядра, и их расположение определяет химические и физические свойства атома.
В данном исследовании ученые работали над конкретным атомом титана: Ti-47. В нем на один нейтрон меньше, чем в обычном титане (Ti-48), что делает его ядро слегка магнитным. Это свойство, известное как спин, можно сравнить с маленьким внутренним компасом, способным указывать в разных направлениях.
Цель исследователей заключалась в том, чтобы манипулировать спином ядра, воздействуя на спин одного из внешних электронов атома. Поскольку спин ядра и спин электрона слабо связаны между собой, идея заключалась в том, чтобы сначала управлять электроном, а затем воздействовать на ядро.
Для этого они использовали сканирующий туннельный микроскоп — технологию, позволяющую исследовать атомы и манипулировать ими с предельной точностью. Благодаря этому микроскопу они смогли взаимодействовать с внешним электроном Ti-47. Подавая тщательно выверенные импульсы напряжения, они нарушали состояние равновесия электрона и запускали цепную реакцию. Этот процесс позволил электрону передать свое влияние на ядро, что является деликатной операцией из-за очень слабого взаимодействия между их спинами.
Исследователи добились этой манипуляции с помощью очень слабого регулируемого магнитного поля. Они заметили, что после подачи импульса напряжения спин электрона переместился, заставив спины электрона и ядра колебаться вместе в течение доли микросекунды. Это явление соответствует предсказаниям Эрвина Шрёдингера и подтверждает, что квантовые законы действуют с большой точностью даже в атомном масштабе.
Это открытие имеет глубокие последствия для исследований в области квантовой физики. Во-первых, оно демонстрирует возможность управления и считывания квантовой информации в чрезвычайно малых масштабах с помощью спина атомного ядра. Ядро меньше подвержено внешним возмущениям, чем электроны, что делает его идеальным кандидатом для хранения более стабильной квантовой информации.
Потенциальные возможности применения огромны. Например, этот прорыв может привести к разработке новых технологий квантовых вычислений, где кубиты (единицы квантовой информации) могут храниться в атомных ядрах, обеспечивая большую стабильность и увеличивая возможности обработки информации. Кроме того, это исследование может повлиять на квантовую термодинамику — зарождающуюся область, изучающую законы термодинамики в квантовом масштабе.