Cercetătorii au reușit să controleze nucleul magnetic al unui singur atom, contrar așteptărilor
Cercetătorii de la Universitatea de Tehnologie din Delft (Țările de Jos) au reușit să controleze magnetismul din nucleul unui singur atom cu ajutorul undelor radio. Rezultatul a venit ca o surpriză: până acum, fizicienii considerau că acest spin nuclear nu poate fi manipulat direct. Descoperirea ar putea deschide noi posibilități pentru stocarea și citirea informației cuantice. Cercetarea a fost publicată în revista Nature Communications.
În metale precum fierul și nichelul, fiecare atom este ușor magnetic. În interiorul atomului acționează însă și diferite „ace de busolă” magnetice, cunoscute în mecanica cuantică drept spini. „De departe cel mai puternic magnetism provine de la electroni”, explică cercetătorul principal Sander Otte. „Dar în unele atomi, și nucleul are un spin. Acel spin este mult mai slab, însă este și mult mai bine protejat de lumea exterioară.”
Grupul lui Otte studiază spinii folosind un microscop cu tunelare cu efect de scanare, adaptat astfel încât semnalele electrice să poată fi direcționate cu precizie extremă către un singur atom. În trecut, cercetătorii s-au concentrat în principal asupra spinului electronului, care este cel mai ușor de citit. Spinul nuclear apărea doar indirect, prin așa-numita interacțiune hiperfină, care face ca spinii nucleului și ai electronului să devină ușor antrenați împreună.
Un control împotriva așteptărilor
În cel mai recent experiment, autoarea principală Hester Vennema și colegii ei au trimis simultan către un atom două semnale diferite: unul adresat electronului și unul adresat nucleului. Astfel, au putut studia separat influența fiecărui semnal. Spre surprinderea lor, au constatat că puteau inversa spinul nuclear chiar și atunci când cei doi spini erau în mare parte separați.
Rezultatul a fost neașteptat. „Potrivit înțelegerii noastre simple, acest lucru nu ar trebui să se întâmple”, spune Otte. „Spinul nuclear nu ar trebui să fie deloc sensibil la semnalele electrice provenite de la un microscop cu tunelare cu efect de scanare.”
Ca niște coarde de chitară
Pentru această cercetare, echipa a perfecționat o tehnică de măsurare consacrată, cunoscută drept rezonanță magnetică dublă, pentru a o aplica unui singur atom. Astfel, au putut aborda independent magnetismul nucleului atomic și cel al unui electron aflat pe orbită. În rezonanța magnetică, orientarea unui spin este modificată cu ajutorul unui semnal de undă. Conform mecanicii cuantice, sunt posibile doar un număr limitat de astfel de rotații, drept urmare semnalul trebuie să aibă exact frecvența potrivită.
„Puteți compara acest lucru cu coardele unei chitare”, explică Vennema. „Fiecare rotație posibilă a spinului este ca o coardă cu propria notă. Trebuie să cânți exact nota potrivită pentru ca o anumită coardă să vibreze. «Notele» unui spin nuclear sunt de o sută până la o mie de ori mai joase decât cele ale unui spin electronic.”
Informație cuantică protejată
Spinul nuclear al atomilor prezintă un interes deosebit pentru aplicațiile în care informația cuantică trebuie stocată în siguranță. Capacitatea de a controla spinii nucleari ar putea oferi noi oportunități pentru stocarea și citirea informației cuantice. Deocamdată însă, cercetarea ridică în principal noi întrebări cu privire la mecanismul care stă la baza spinului nuclear.
„Ne întoarcem la tabla de proiectare”, spune Otte. „Așa funcționează cu adevărat știința. Rămâne mereu ceva nou de descoperit.”
