Измерение отдельных атомов

Квантовые системы трудно определить, так как любые измерения влияют на наблюдаемую систему

0 1 712

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) является одним из важнейших методов физико-химического анализа. Она может быть использована для определения точных молекулярных структур и их динамики. Важность этого метода также подтверждается признанием двух последних нобелевских лауреатов ETH Zurich Ричарда Эрнста и Курта Вютриха за их вклад в совершенствование метода.

Техника основана на ядерном магнитном резонансе, который использует тот факт, что некоторые атомные ядра взаимодействуют с магнитным полем. Ключевым фактором здесь является ядерное вращение, которое можно сравнить с вращением детской игрушки — волчка. Подобно волчку, который начинает колебаться, явление, называемое прецессией, действует на ядерные спины, которые подвергаются воздействию магнитного поля, начинают прецессировать. Это генерирует электромагнитный сигнал, который может быть измерен с использованием индукционной катушки.

Команда исследователей во главе с Кристианом Дегеном, профессором физики твердого тела в ETH Zurich, разработала новый подход, позволяющий напрямую отслеживать прецессию одиночных ядерных вращений. Для сравнения, обычные ЯМР обычно требуют, по меньшей мере, от 1012 до 1018 атомных ядер для регистрации измерительного сигнала.

В своем проекте исследователи ETH проанализировали поведение атомов углерода-13 в алмазах. Вместо того, чтобы использовать обычные методы для прецессии ядра углерода, они использовали спин соседнего электрона в N-V-центре — несовершенство кристаллической решетки алмаза — в качестве датчика.  «Мы используем вторую квантовую систему для изучения поведения первой квантовой системы. Таким образом, мы создали очень чувствительный способ измерения» — говорят ученые.

Большой потенциал для будущих приложений

Квантовые системы трудно определить, так как любые также влияют на наблюдаемую систему. Поэтому ученые не могли непрерывно отслеживать прецессию; ее движение было бы слишком сильно изменено. Чтобы решить эту проблему, они разработали специальный метод измерения для захвата спина атома углерода через серию слабых измерений в быстрой последовательности.

Смотрите также  Как рой пчел противостоит воздействию внешних сил?

В результате они смогли сохранить влияние своих наблюдений настолько малым, что не оказали заметного влияния на систему, оставив ощутимым исходное круговое движение.

«Наш метод прокладывает путь к значительным достижениям в технологии ЯМР», — объясняет Кристиан Деген. «Это потенциально позволяет нам напрямую записывать спектры отдельных молекул и анализировать структуры на атомном уровне».

В качестве первого примера физики определили трехмерное положение ядер углерода в решетке алмаза с атомным разрешением. Физики видят огромный потенциал в этом развитии. Такие подробные ЯМР могут привести к совершенно новому пониманию во многих областях, как это уже имело место в обычной ЯМР-спектроскопии в последние десятилетия .


Tracking the precession of single nuclear spins by weak measurements, Nature(2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1334-9 , https://www.nature.com/articles/s41586-019-1334-9

Войти с помощью: 
Подписаться
Уведомление о
guest
0 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
0
Будем рады вашим мыслям, пожалуйста, прокомментируйте.x
()
x