Дослідники з Нідерландів показали, що радіохвилі можуть керувати ядерним спіном окремого атома навіть тоді, коли він майже не пов’язаний зі спіном електронів. Про це повідомляє видання Interesting Engineering. Результат суперечить поширеним уявленням про те, як атомні ядра реагують на електричні сигнали, і може відкрити нові шляхи для зберігання та зчитування квантової інформації.
Експеримент виконали у Технологічному університеті Делфта, використавши модифікований сканувальний тунельний мікроскоп. Команда спрямовувала точно контрольовані електричні сигнали на окремий атом і виявила, що сигнал, націлений безпосередньо на ядро, здатен «перевернути» його спін без опори на сильний зв’язок між ядерним та електронним спінами, який раніше вважали необхідним для такої маніпуляції.
Слабкий магнетизм ядра проти сильного спіна електрона
Атом має кілька джерел магнетизму: це спіни електронів і, у деяких випадках, спіни ядра. Магнітний ефект електронних спінів значно сильніший, тому ними відносно легко керувати. Ядерні спіни набагато слабші й краще «екрановані» від оточення, тож до них важче дістатися безпосередньо.
Попередні експерименти в Делфті зосереджувалися переважно на керуванні електронними спінами та спостереженні їхнього впливу на ядерні через так зване гіпертонке (hyperfine) зчеплення. Це взаємодія, яка пов’язує магнітну поведінку електронів і ядер, дозволяючи змінам одного спіна впливати на інший.
У новій роботі команда під керівництвом Гестер Веннеми (Hester Vennema) вдосконалила методику подвійного магнітного резонансу, щоб досліджувати обидва типи спінів окремо. Вони одночасно подавали два сигнали: один був налаштований на електронний спін, інший — на ядерний. Незалежно змінюючи параметри цих сигналів, дослідники могли відстежувати, як реагує кожен компонент.
З’ясувалося, що ядерний спін можна перевернути навіть тоді, коли електронний та ядерний спіни значною мірою розплутані, тобто майже не пов’язані між собою. Це стало несподіванкою для команди. За словами керівника групи Сандера Отте (Sander Otte), у простій моделі ядерний спін взагалі не мав би бути чутливим до електричних сигналів сканувального тунельного мікроскопа.
Такий результат свідчить, що механізм, який стоїть за виявленими переходами ядерного спіна, не повністю описується наявною теоретичною моделлю.
Налаштування окремих квантових станів
Ключовим інструментом експерименту став магнітний резонанс — метод, що використовує сигнали з певною частотою для зміни орієнтації магнітних спінів. Оскільки квантові спіни можуть перебувати лише в окремих дозволених станах, дослідникам потрібно підібрати точну частоту, щоб викликати перехід між ними.
Веннома порівняла цей процес із грою на гітарі: кожна струна відповідає лише на свою ноту. Аналогічно, кожен тип спіна реагує на «свою» частоту. Частоти, пов’язані з переходами ядерного спіна, зазвичай у 100–1000 разів нижчі, ніж частоти для електронних спінів. Удосконаливши подвійний магнітний резонанс для одного атома, команда показала, що можна адресно керувати цими різними магнітними компонентами.
Здатність маніпулювати ядерними спінами особливо важлива для квантових технологій. Через відносну ізольованість від зовнішніх збурень ядерні спіни вважають перспективними носіями квантових станів, тобто можливими «комірками пам’яті» в квантових пристроях. Водночас для практичного використання потрібні надійні способи керування та зчитування таких станів.
Новий експеримент демонструє додатковий механізм контролю, але ще не створює робочої квантової пам’яті й не пояснює детально, як саме ядерний спін реагує на прикладений сигнал. Подальші дослідження мають виявити фізичний механізм, що стоїть за цим ефектом, і з’ясувати, чи можна стабільно застосовувати таку техніку в реальних квантових пристроях.
Результати роботи опубліковано в журналі Nature Communications.