Прямое наблюдение квантового ритма: ученые впервые измерили «магнитное сердце» атома в реальном времени

Физики совершили прорыв, впервые измерив в реальном времени ритм «магнитного сердца» атома, наблюдая за его квантовыми переходами. Используя сканирующий туннельный микроскоп, исследователи смогли отследить движение электронов, синхронизированное с ядром атома изотопа титана-49. Этот метод позволил им изолировать и точно оценить длительность магнитного импульса атомного ядра, что раньше было невозможно.

Значение для квантовых технологий

Как подчеркивается в исследовании, полученные результаты дают фундаментальное понимание природы релаксации ядерного спина на атомном уровне. Это открытие имеет огромное практическое значение для разработки передовых платформ для квантовых вычислений, в частности, для создания кубитов, собираемых буквально атом за атомом.

Спин — это фундаментальное квантовое свойство, описывающее внутренний угловой момент частицы. Он лежит в основе магнетизма и часто служит базовым элементом для кубита — квантового бита информации. Общий спин атомного ядра формируется сложным взаимодействием множества субатомных частиц, и это коллективное состояние чрезвычайно чувствительно к внешним воздействиям. Точное знание характеристик такого спинового состояния до его возмущения может предоставить инженерам новый, более стабильный тип кубита.

Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.

Инновационный метод наблюдения

Основная сложность заключалась в том, чтобы наблюдать за спиновым состоянием ядра, не нарушая его. Чтобы обойти это препятствие, международная группа физиков под руководством Эверта Столте и Джинвона Ли из Делфтского технологического университета (Нидерланды) использовала хитроумный косвенный подход. Они применили так называемое сверхтонкое взаимодействие между электронами и ядром, которое служило индикатором, не требующим прямого вмешательства в магнитные процессы ядра.

Как пояснил физик Сандер Отте из того же университета, предыдущие измерения были слишком медленными, чтобы уловить динамику ядерного спина во времени. Для решения этой проблемы исследователи разработали и применили импульсную схему измерений. Вместо одного длительного наблюдения сканирующий туннельный микроскоп проводил серию кратковременных измерений атома с известным начальным ядерным спином, делая между ними перерывы.

Эксперимент с титаном-49

Для эксперимента был выбран стабильный природный изотоп титан-49. Этот изотоп популярен в ядерной физике благодаря своим выраженным магнитным свойствам и сильному спину, которым можно управлять, что делает его идеальным объектом для изучения поведения атомных ядер.

Благодаря импульсному режиму ученые смогли в реальном времени наблюдать на экранах компьютеров, как атом «переключается». Они установили, что интервал между каждым таким квантовым переключением составляет около пяти секунд. Важно, что измерения проводились быстрее, чем происходили осцилляции ядра. Это переключение соответствует квантовому переходу — перевороту ядерного спина из одного состояния в другое и обратно. Данное достижение открывает совершенно новые возможности для экспериментального исследования ядерных спинов в атомном масштабе.

Исследование было опубликовано в авторитетном журнале Nature Communications.

Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.

Источник статьи: Ученые впервые измерили в реальном времени ритм «магнитного сердца» атома, наблюдая за его квантовыми переходами.