Физики наблюдали в реальном времени переключение спина в сердце одного атома
На границе между микроскопическим и квантовым мирами, где законы классической физики уступают место странным и загадочным законам квантовой механики, ученые продолжают расширять горизонты возможного. В Делфтском техническом университете в Нидерландах группа исследователей под руководством профессора Сандера Отте совершила прорыв, который может изменить наше понимание атомных процессов и открыть новые пути в разработке квантовых технологий.
Впервые в истории им удалось наблюдать переключение ядерного спина отдельного атома в режиме реального времени — процесс, который ранее считался слишком быстрым и хрупким для непосредственного измерения. Более того, они обнаружили, что этот спин остается стабильным в течение нескольких секунд — по квантовым меркам это целая вечность. Результаты исследования, опубликованные в журнале Nature Communications, не только демонстрируют невероятную чувствительность современных инструментов, но и открывают двери к новому поколению квантовых сенсоров и вычислительных систем, работающих на уровне отдельных атомов.
Центральным инструментом в этом открытии стал сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) — устройство, способное «ощупывать» поверхность на атомном уровне и создавать изображения с разрешением, достаточным для различения отдельных атомов. Однако СТМ напрямую взаимодействует не с ядрами атомов, а с их электронными оболочками. Именно электроны, а не ядра, участвуют в туннельном токе, который и позволяет микроскопу работать.
Тем не менее, и электроны, и атомные ядра обладают так называемым «спином» — квантовомеханическим свойством, аналогичным магнитному моменту. Спин можно представить как крошечный магнит, ориентированный вверх или вниз, и он лежит в основе многих квантовых явлений. Десять лет назад команда Отте уже достигла успеха, измерив спин отдельного электрона с помощью СТМ. Теперь же перед ними стоял более сложный вопрос: можно ли с помощью того же инструмента «прочитать» состояние ядерного спина — другой части атома, которая еще слабее взаимодействует с окружающей средой и, казалось бы, недоступна для прямого наблюдения.
Ответ оказался положительным, но путь к нему был непрост. Ученые не могли измерить ядерный спин напрямую, поэтому прибегли к хитрому квантовому трюку — использовали электрон как посредника. Между электронным и ядерным спинами существует слабое, но значимое взаимодействие, называемое сверхтонким. Оно позволяет состоянию одного спина влиять на другое. Ранее такие взаимодействия уже использовались для косвенного определения ядерного спина, но измерения были слишком медленными, чтобы уловить динамику — то есть фактическое переключение спина между состояниями. В новом эксперименте авторы работы, Эверт Столте и Джинвон Ли, разработали метод — импульсную схему измерений, позволяющий проводить измерения с гораздо большей скоростью. Они взяли атом природного изотопа титана (49 Ti) и начали с высокой частотой считывать состояние связанного с ним электрона, надеясь уловить отражение изменений в ядре.
И вот на экране компьютера появилось нечто невероятное: сигнал начал переключаться между двумя уровнями — четкое свидетельство того, что ядерный спин сам по себе переключается «туда-сюда» между двумя квантовыми состояниями. Это было первое в истории прямое наблюдение динамики ядерного спина в реальном времени. Ученые установили, что каждое состояние сохраняется в среднем около пяти секунд — время, которое выглядит поразительно долгим в контексте квантовых процессов. Для сравнения: электронный спин в том же атоме живет всего около 100 наносекунд, то есть почти в десять миллионов раз меньше. Такая долгая когерентность ядерного спина делает его особенно привлекательным для применения в квантовых технологиях, где устойчивость к декогеренции — один из главных вызовов.
Ключевым достижением стало так называемое «однократное считывание» ядерного спина. Это означает, что исследователи могут определить состояние спина одним измерением, не разрушая его при этом. Раньше измерение часто само приводило к изменению состояния, что делало невозможным последовательные наблюдения. Теперь же, благодаря скорости и точности метода, измерение происходит быстрее, чем происходит спонтанное переключение спина, и почти не влияет на систему. Это создает предпосылки для активного управления ядерным спином — например, с помощью внешних магнитных полей или радиочастотных импульсов, как в ядерном магнитном резонансе, но на уровне одного атома.
Открытие имеет глубокое значение не только для фундаментальной науки, но и для будущих технологий. Долгоживущие и управляемые ядерные спины могут стать основой для квантовых битов — кубитов — в атомных квантовых компьютерах. Их устойчивость делает их идеальными кандидатами для хранения квантовой информации. Кроме того, возможность считывания и контроля спинов открывает путь к созданию квантовых сенсоров с беспрецедентной чувствительностью — например, для обнаружения слабых магнитных полей или изучения сложных молекулярных структур на атомном уровне. В перспективе такие технологии могут использоваться в медицине, материаловедении и даже в поиске новых фундаментальных частиц.
Как отмечает Эверт Столте, сам факт возможности измерения — это уже первый шаг к новой эре экспериментальной физики. «Мы не можем управлять тем, что не можем измерить», — подчеркивает он. Теперь, когда ядерный спин стал доступен для наблюдения в реальном времени, начинается следующий этап: активное манипулирование им, интеграция в квантовые сети и использование в сложных многоатомных системах. Исследование из Делфта — не просто технический подвиг, а важный шаг к тому, чтобы квантовый мир перестал быть абстракцией и стал частью управляемой реальности.