Ученые наблюдают переворот атомного ядра в реальном времени
При помощи сканирующего туннельного микроскопа ученые из Делфтского технологического университета (Нидерланды) смогли считывать ядерный «спин» — квантово-механический аналог магнетизма — через электроны того же атома. К удивлению физиков, спин оставался стабильным в течение нескольких секунд, что открывает новые возможности для управления магнитными свойствами атомных ядер.
Сканирующий туннельный микроскоп (STM) — инструмент, способный «ощущать» отдельные атомы на поверхности материала при помощи острейшего зондового наконечника. Однако напрямую зафиксировать магнитное состояние ядра (его так называемый «спин») с помощью STM невозможно, ведь прибор чувствителен только к облаку электронов, окружающих ядро. И все же именно это свойство электрона стало ключом к разгадке: благодаря гиперсверхтонкому взаимодействию между ядерным и электронным спинами, физики нашли способ «считывать» ядерный спин опосредованно.
Ранее подобный подход уже применялся, но измерения проводились слишком медленно, чтобы ученые могли уловить динамику в реальном времени. На этот раз группа профессора Сандера Отте решила значительно ускорить процесс. Ученые Эверт Столте и Джинвон Ли провели серию экспериментов на атоме, заведомо обладающем ядерным спином. Их ждала удача: на экране компьютера они увидели четкий сигнал, который переключался между двумя уровнями — свидетельство того, что ядерный спин действительно «переворачивается» из одного квантового состояния в другое и обратно.
Самым удивительным оказалось то, что этот процесс занимает около пяти секунд — по меркам квантовых систем это огромный срок. Для сравнения: электронный спин в том же атоме «живет» всего около ста наносекунд. Такая длительная стабильность открыла возможность так называемого «одноразового считывания» (single-shot readout), когда состояние можно зарегистрировать быстрее, чем оно успеет измениться, и почти не повлиять на него самой процедурой измерения.
«Первый шаг в любой новой экспериментальной области — это научиться измерять объект. И именно это мы сделали с ядерными спинами на атомном уровне», — отметил Столте. Теперь, когда ученые научились наблюдать за столь тонким процессом вживую, становится возможным следующий этап — управление ядерными спинами и использование их, например, в квантовых сенсорах или моделировании. Это важный шаг к будущим технологиям, в которых контроль за бесконечно малыми объектами дает бесконечно большие возможности.
