Физики научились управлять спином ядра отдельного атома радиоволнами

Исследователи из Делфтского технического университета в Нидерландах продемонстрировали, что ядерным спином отдельного атома можно управлять с помощью радиоволн. Ранее физики считали, что воздействовать на такой спин напрямую невозможно.

Результат может иметь значение для квантовых технологий. Ядерный спин слабее электронного, однако он лучше защищён от воздействия окружающей среды. Поэтому его рассматривают как потенциальный носитель квантовой информации, которую требуется сохранять в стабильном состоянии.

От электронного спина к ядерному

Магнитные свойства атомов связаны прежде всего с электронами. В таких металлах, как железо и никель, каждый атом обладает небольшим магнитным моментом. Однако спином может обладать и атомное ядро. Он значительно слабее электронного, но менее подвержен внешним помехам.

Группа Сандера Отте изучает спины с помощью модифицированного сканирующего туннельного микроскопа. До сих пор основное внимание уделялось электронному спину: его проще обнаруживать и считывать. Ядерный спин проявлялся лишь косвенно — через сверхтонкое взаимодействие с электроном.

В новом эксперименте ведущий автор работы Хестер Веннема и её коллеги одновременно направляли на отдельный атом два сигнала. Один воздействовал на электрон, другой предназначался для ядра. Учёные обнаружили, что состояние ядерного спина удаётся изменять даже тогда, когда электронный и ядерный спины в значительной степени разделены.

Неожиданный механизм

Полученный результат противоречит простому представлению о работе установки. Как отметил Отте, ядерный спин не должен был реагировать на электрические сигналы сканирующего туннельного микроскопа. Тем не менее эксперимент показал, что такая связь существует и может использоваться для управления состоянием ядра.

Для опыта команда усовершенствовала метод двойного магнитного резонанса и адаптировала его для работы с отдельным атомом. Техника позволила независимо воздействовать на магнетизм электрона и ядра.

При магнитном резонансе ориентация спина меняется под воздействием волнового сигнала с точно заданной частотой. Веннема сравнила этот процесс с игрой на гитаре: каждому возможному переходу спина соответствует своя «нота», и для возбуждения нужного перехода необходимо выбрать правильную частоту.

Исследователи считают, что управляемые ядерные спины могут пригодиться для хранения и считывания квантовой информации. Однако практическое применение открытия потребует дальнейшего изучения механизма, который позволил ядерному спину реагировать на электрическое воздействие. По словам Отте, неожиданный результат означает, что учёным предстоит заново уточнить существующие представления о поведении таких систем.