Физики впервые напрямую управляли магнитным ядром одного атома
Исследователи из Делфтского технического университета в Нидерландах впервые напрямую управляли магнетизмом ядра одного атома с помощью радиоволн. Это стало неожиданностью: ранее считалось, что ядерный спин невозможно контролировать напрямую. Открытие может открыть новые возможности для хранения и считывания квантовой информации. Работа опубликована в журнале Nature Communications. Об этом пишет сайт Phys.org.
В металлах, таких как железо и никель, каждый атом слегка магнитен. Внутри атома действуют разные магнитные «стрелки компаса», известные в квантовой механике как спины. «Самым сильным магнетизмом обладают электроны, — говорит ведущий исследователь Сандер Отте. — Но в некоторых атомах ядро тоже несёт спин. Он гораздо слабее, но и гораздо лучше защищён от внешнего мира».
Группа Отте изучает спины с помощью модифицированного сканирующего туннельного микроскопа, который позволяет направлять электрические сигналы с высокой точностью на один атом. В прошлом исследователи в основном фокусировались на электронном спине, который легче всего считывать. Ядерный спин проявлялся лишь косвенно, через так называемое сверхтонкое взаимодействие, из-за которого спины ядра и электрона слегка запутываются.
В новом эксперименте ведущий автор Хестер Веннема и её коллеги отправили атому два разных сигнала одновременно: один нацелен на электрон, другой — на ядро. Это позволило изучить влияние каждого сигнала независимо. К удивлению, они обнаружили, что могут переворачивать ядерный спин, даже когда два спина в значительной степени распутаны. «Согласно нашему простому пониманию, этого не должно происходить, — говорит Отте. — Ядерный спин вообще не должен реагировать на электрические сигналы от сканирующего туннельного микроскопа».
Для исследования команда усовершенствовала известный метод двойного магнитного резонанса для применения к одному атому. В магнитном резонансе ориентация спина изменяется с помощью волнового сигнала. Согласно квантовой механике, возможны лишь ограниченное число таких поворотов, поэтому сигнал должен иметь точно правильную частоту. «Это можно сравнить со струнами гитары, — объясняет Веннема. — Каждый возможный поворот спина — как струна со своей нотой. Нужно сыграть точно правильную ноту, чтобы заставить конкретную струну вибрировать. „Ноты“ ядерного спина в сто-тысячу раз ниже, чем у электронного».
Ядерный спин атомов особенно интересен для приложений, где квантовую информацию нужно надёжно хранить. Возможность контролировать ядерные спины может дать новые способы хранения и считывания квантовой информации. Пока же исследование в основном поднимает новые вопросы о механизме, управляющем ядерным спином. «Назад к чертёжной доске, — говорит Отте. — Так и работает наука. Всегда есть что-то новое, что нужно выяснить».
