Istraživači sa Tehnološkog univerziteta u Delftu u Nizozemskoj uspjeli su da u realnom vremenu vide kako se magnetsko jezgro atoma prebacuje iz jednog stanja u drugo. Oni su očitali nuklearni spin preko elektrona u istom atomu, koristeći iglu skenirajućeg tunelirajućeg mikroskopa. Na njihovo iznenađenje, spin je ostao stabilan nekoliko sekundi, što otvara mogućnosti za bolje upravljanje magnetskim jezgrom. Istraživanje, objavljeno u časopisu Nature Communications, predstavlja korak naprijed za kvantnu detekciju na atomskoj skali.
Skenirajući tunelirajući mikroskop (STM) sastoji se od igle oštre na nivou atoma, koja može da osjeti pojedinačne atome na površini i napravi slike sa atomski preciznom rezolucijom. Tačnije, STM može da osjeti samo elektrone koji okružuju atomsko jezgro. I elektroni i jezgro u atomu mogu djelovati kao mali magneti. U zavisnosti od tipa atoma, svako od njih nosi veličinu zvanu spin, kvantnomehanički ekvivalent magnetizma. Mjerenje kretanja spina pojedinačnog elektrona pomoću STM-a prvi put je ostvareno prije deset godina. Istraživačka grupa TU Delft-a, koju vodi profesor Sander Ote, želio je da sazna: mogu li STM-om u realnom vremenu očitati i nuklearni spin, drugi dio atoma?
STM nije direktno osjetljiv na nuklearne spinove, pa je tim morao da iskoristi elektron za indirektno očitavanje nuklearnog spina.
"Opšti koncept demonstriran je prije nekoliko godina, koristeći takozvanu hiperfinsku interakciju između elektronskog i nuklearnog spina. Međutim, ta ranija mjerenja bila su prespora da bi zabilježila promjene nuklearnog spina tokom vremena", objašnjava kako piše Science Daily.
Prvi autori, Evert Stolte i Jinvon Li, odlučili su da izvedu brza mjerenja na atomu za koji se zna da nosi nuklearni spin. Na njihovo oduševljenje, na ekranu računara su u realnom vremenu vidjeli signal kako se prebacuje između dva različita nivoa.
"Pokazali smo da to prebacivanje odgovara flipu nuklearnog spina iz jednog kvantnog stanja u drugo, i nazad", kaže Stolte. Utvrdili su da spin mijenja stanje približno svakih pet sekundi, što je mnogo duže od mnogih drugih kvantnih sistema dostupnih za STM. Na primjer, životni vijek elektronskog spina u istom atomu je samo oko 100 nanosekundi.
Pošto su istraživači mogli da mjere stanje nuklearnog spina brže nego što se ono mijenja i (uglavnom) bez izazivanja promjene mjerenjem, ostvarili su takozvano "single-shot" očitavanje. Ovo otvara uzbudljive eksperimentalne mogućnosti za kontrolu nuklearnog spina. Osim toga, fundamentalni napredak u očitavanju i kontroli nuklearnih spinova na površini mogao bi dugoročno da doprinese primjenama poput kvantne simulacije ili kvantne detekcije na atomskoj skali. Stolte zaključuje:
"Prvi korak u bilo kojoj novoj eksperimentalnoj oblasti jeste mogućnost mjerenja, a mi smo to uspjeli da postignemo za nuklearne spinove na atomskoj skali".