Учёные впервые наблюдали переключение магнитного ядра атома в реальном времени

Художественное изображение переключения ядерного спина атома между квантовыми состояниями. Автор: Scixel

Исследователи из Делфтского технического университета (Нидерланды) впервые смогли наблюдать в реальном времени, как магнитное ядро атома переключается между состояниями. Они считывали ядерный спин через электроны того же атома с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа.

К удивлению учёных, спин оставался стабильным в течение нескольких секунд, что открывает перспективы для улучшенного контроля над магнитным ядром. Исследование, опубликованное в Nature Communications, представляет собой шаг вперёд в области квантового зондирования на атомном уровне.

Графическое описание эксперимента. Автор: Sander Otte

Ведущие авторы Эверт Столте и Джинвон Ли проводили быстрые измерения на атоме, известном наличием ядерного спина. К их восторгу, они наблюдали переключение сигнала между двумя уровнями в реальном времени прямо на экране компьютера.

«Мы смогли показать, что это переключение соответствует переходу ядерного спина из одного квантового состояния в другое и обратно», — говорит Столте.

Исследователи определили, что спин изменяется примерно через пять секунд — значительно дольше, чем во многих других квантовых системах, доступных для СТМ. Например, время жизни электронного спина в том же атоме составляет всего около 100 наносекунд.

Поскольку учёные могли измерять состояние ядерного спина быстрее, чем он переключается, они достигли так называемого «однократного считывания». Это открывает exciting экспериментальные возможности для управления ядерным спином. Фундаментальный прогресс в считывании и контроле ядерных спинов на поверхности может в долгосрочной перспективе помочь в таких приложениях, как квантовое моделирование или квантовое зондирование на атомном масштабе.

«Первый шаг в любом новом экспериментальном направлении — это возможность его измерить, и это то, что нам удалось сделать для ядерных спинов на атомном масштабе», — отмечает Столте.