Физики впервые смогли управлять ядерным спином отдельного атома с помощью радиоволн
Физики из Делфтского технического университета в Нидерландах продемонстрировали необычный способ управления квантовым состоянием ядра отдельного атома. С помощью радиочастотных сигналов исследователи смогли изменять ориентацию его ядерного спина даже при очень слабой связи со спином электрона. Результат оказался неожиданным и может открыть новые возможности для создания квантовой памяти, способной долго сохранять информацию.
Эксперимент провела группа учёных под руководством Хестер Веннемы и Сандера Отте. Исследователи использовали модифицированный сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий подавать электрические сигналы на отдельные атомы с чрезвычайно высокой точностью. Объектом изучения стал атом изотопа титана-47, ядро которого обладает собственным магнитным моментом. Для изменения его состояния специалисты применили метод двойного магнитного резонанса.
Магнитные свойства атома определяются не только электронами, но и его ядром. Электронный спин сравнительно легко поддаётся внешнему воздействию, тогда как ядерный значительно слабее взаимодействует с окружающей средой. Благодаря такой изоляции ядерные спины рассматриваются как перспективные носители квантовой информации. Однако то же свойство затрудняет управление ими: обычно для воздействия на ядро используют его магнитную связь с электронами, известную как сверхтонкое взаимодействие.
В новом эксперименте физики одновременно подавали два радиочастотных сигнала. Один был настроен на изменение электронного спина, другой — на переходы между состояниями ядерного спина. Изменяя частоты независимо друг от друга, исследователи смогли изучить поведение обеих магнитных составляющих атома. Неожиданно выяснилось, что ядерный спин продолжает реагировать на сигнал даже в режиме, когда его квантовое состояние лишь слабо смешивается с состоянием электрона. Простейшая модель взаимодействия не предсказывала такого результата.
Учёные обнаружили характерные резонансные переходы ядерного спина, частоты которых значительно ниже частот электронного резонанса. Обычно разница составляет от сотен до тысячи раз. Поскольку каждый переход соответствует определённому изменению квантового состояния, настройка радиосигнала позволяет избирательно воздействовать на ядро. При этом точный физический механизм, благодаря которому электрический сигнал туннельного микроскопа вызывает такие переходы при слабой связи спинов, пока остаётся невыясненным.
Полученный результат может оказаться важным для квантовых вычислений и хранения информации. Ядерные спины способны сохранять своё состояние дольше электронных, но для практического применения необходимо научиться точно управлять ими и считывать записанные данные. Эксперимент показал возможность адресного воздействия на отдельное атомное ядро, однако исследователи пока не продемонстрировали полноценную квантовую память или универсальное управление ядерным кубитом. Следующим этапом станет выяснение механизма обнаруженного эффекта и проверка возможностей его использования в квантовых устройствах.
Результаты исследования в научном журнале Nature Communications.