Фізики вперше виміряли «пульс» магнітного серця атома в реальному часі

Команда фізиків з Технологічного університету Делфта (Нідерланди) вперше змогла зафіксувати, як ядерний спін атома перемикається між квантовими станами. Їм вдалося виміряти тривалість цього процесу, який часто називають «пульсом магнітного серця» атома.

Для експерименту дослідники використали атом титану-49 — стабільний природний ізотоп із ядерним спіном, чутливим до магнітних впливів. Замість прямого вимірювання, яке могло б зруйнувати делікатний квантовий стан, команда спостерігала поведінку електронів атома. Їхній рух відображає взаємодію з ядром завдяки так званій гіперфінній взаємодії.

Ключовим інструментом став сканувальний тунельний мікроскоп. Фізики розробили нову методику «пульсованих вимірювань»: замість безперервного контролю вони робили серію дуже коротких вимірювальних імпульсів із паузами між ними. Це дозволило спостерігати ядерний спін у дії, не руйнуючи квантового стану.

На екрані комп’ютера дослідники вперше побачили в реальному часі, як спін ядра атома титану «перемикається» між квантовими станами. Виявилося, що кожне таке перемикання відбувається приблизно раз на 5 секунд.

«Ми змогли показати, що ці перемикання відповідають фліп-флопу ядерного спіну між квантовими станами. Перший крок у будь-якому новому експериментальному напрямі — це навчитися вимірювати. Саме це ми зробили для ядерних спінів на атомному рівні», — пояснює керівник дослідження Еверт Столте.

Ядерний спін — одна з найстабільніших квантових характеристик. Саме він може стати основою для створення квантових бітів (кубітів) у майбутніх квантових комп’ютерах. Проблема лише в тому, що спіни легко порушуються зовнішнім середовищем.

Розуміння того, як поводиться ядерний спін до того, як середовище його «зруйнує», відкриває нові шляхи для інженерії кубітів. Отримані результати можуть допомогти у створенні квантових систем, де інформація зберігатиметься значно довше, ніж у сучасних технологіях.