Ученые впервые измерили в реальном времени ритм «магнитного сердца» атома, наблюдая за его квантовыми переходами. Физики использовали сканирующий туннельный микроскоп, чтобы отследить движение электронов, синхронизированное с ядром атома изотопа титана-49. Это позволило им изолировать и оценить длительность магнитного импульса атомного ядра.
Как отмечается в исследовании, эти результаты дают понимание природы релаксации ядерного спина на атомном уровне и имеют важное значение для разработки платформ кубитов, собранных атом за атомом.
Спин в квантовой физике описывает тип углового момента и является фундаментальным свойством, лежащим в основе поведения магнитов. Он также часто формирует базовый элемент квантовых вычислений, выступая в роли кубита — квантового бита информации. На общий спин ядра влияет множество субатомных частиц, находящихся в квантовом взаимодействии, а коллективное изменение их спинов легко подвержено влиянию окружающей среды. Знание характеристик этого коллективного спинового состояния до внешнего воздействия может предоставить инженерам новый тип кубита для работы.
Однако наблюдение за спиновым состоянием ядра без его нарушения представляет собой сложную задачу. Чтобы обойти это, группа физиков под руководством Эверта Столте и Джинвона Ли из Делфтского технологического университета в Нидерландах использовала поведение электронов в атоме в качестве косвенного индикатора. Несколько лет назад исследователи установили, что можно использовать так называемое сверхтонкое взаимодействие между электронами и ядром, не вмешиваясь напрямую в его магнитные процессы.
Как пояснил физик Сандер Отте из того же университета, первоначальные измерения были слишком медленными, чтобы уловить движение ядерного спина во времени. Чтобы компенсировать это, исследователи разравали импульсную схему измерений, при которой сканирующий туннельный микроскоп проводит кратковременные измерения атома с известным ядерным спином с перерывами, а не одно непрерывное.
Для эксперимента был выбран стабильный природный изотоп титан-49, популярный в ядерно-физических исследованиях благодаря своим магнитным свойствам и сильному спину, которым можно управлять для изучения поведения атомных ядер.
В импульсном режиме исследователи смогли наблюдать переключение атома в реальном времени на показаниях компьютера. Они установили, что интервал между каждым переключением составляет около пяти секунд, и смогли проводить измерения быстрее, чем осциллирует ядро. Это переключение соответствует перевороту ядерного спина из одного квантового состояния в другое и обратно. Данное достижение открывает новые возможности для экспериментального измерения ядерных спинов в атомном масштабе..