Український телекомунікаційний портал

Дослідники продемонстрували незвичний спосіб керування магнітними властивостями окремого атома. За допомогою радіочастотних сигналів їм вдалося змінювати спін атомного ядра — квантову характеристику, пов’язану з його магнетизмом. Результат виявився несподіваним: ядро реагувало на електричні сигнали навіть тоді, коли його взаємодія зі спіном електрона була недостатньою, щоб пояснити таку поведінку.Експеримент провела команда Делфтського технічного університету. Результати дослідження опублікували в журналі Nаturе Соmmunісаtіоns. Робота не лише демонструє новий рівень контролю над магнітними властивостями атома, а й порушує питання про механізм, який дослідники поки не можуть повністю пояснити.

Чому магнетизм атомного ядра важко контролювати

Основна частина магнітних властивостей атома пов’язана з електронами. Їхній магнетизм відносно сильний, тому електронний спін легше виявляти та змінювати. Атомне ядро також може мати власний спін, але його магнітна взаємодія значно слабша. До того ж ядро краще захищене від зовнішніх впливів.Для дослідження таких процесів команда використовує модифікований сканувальний тунельний мікроскоп. Він дає змогу спрямовувати електричні сигнали на окремі атоми та вивчати їхню поведінку.Раніше науковці переважно працювали з електронним спіном, а ядерний досліджували опосередковано — через надтонку взаємодію. Це квантовий зв’язок між магнітними властивостями електрона та ядра, який дає змогу отримувати інформацію про стан останнього.

Ядро відреагувало всупереч очікуванням

У новому експерименті провідна авторка дослідження Гестер Веннема та її колеги одночасно застосували два сигнали: один був налаштований на електронний спін, інший — на ядерний. Аналізуючи їхній вплив окремо, дослідники виявили, що можуть змінювати напрямок ядерного спіну навіть тоді, коли він значною мірою відокремлений від електронного.Це стало несподіванкою. Згідно з простішою моделлю поведінки атома, ядро не мало б помітно реагувати на електричні сигнали сканувального тунельного мікроскопа без достатньої взаємодії з електронним спіном.Для керування дослідники адаптували метод подвійного магнітного резонансу, який раніше вже використовували в інших експериментах. Він дає змогу окремо впливати на електрон і ядро, добираючи частоту сигналу відповідно до їхніх магнітних резонансів.Кожен можливий перехід між квантовими станами потребує сигналу з певною частотою. Гестер Веннема порівнює це з гітарними струнами: щоб змусити конкретну струну вібрувати, потрібно зіграти відповідну ноту. Частоти, характерні для ядерного спіну, у 100–1000 разів нижчі, ніж для електронного.

Можливості для квантових технологій

Ядерні спіни вважаються перспективними носіями квантової інформації. Вони відносно добре захищені від зовнішніх збурень, які можуть порушувати крихкі квантові стани. Тому можливість керувати спіном окремого ядра потенційно може допомогти створювати нові способи запису та зчитування квантової інформації.Однак до практичного застосування ще далеко. Поки що дослідники продемонстрували фізичний ефект в експериментальних умовах, а не готову технологію зберігання даних.Головне питання залишається відкритим: який саме фізичний механізм дає змогу ядерному спіну реагувати на електричні сигнали, якщо зв’язок з електронним спіном не пояснює цього повністю? З’ясування причини такої поведінки стане наступним кроком у дослідженні.