Измерение отдельных атомов

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 измерения 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 измерения 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 измерения 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.

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 измерения 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