Naukowcom z Politechniki w Delft w Holandii udało się zainicjować kontrolowany ruch w samym sercu miasta atom.
Spowodowały one interakcję jądra atomowego z jednym z elektronów w najbardziej zewnętrznych powłokach atomu. Elektronem tym można manipulować i odczytywać go przez igłę skaningowego mikroskopu tunelowego. Ich odkrycia sugerują potencjał solidnego przechowywania informacji kwantowej w jądrach atomowych, odizolowanych od zakłóceń zewnętrznych.
Przełom w manipulacji atomowej
Przez całe tygodnie naukowcy badali pojedynczy atom tytanu. „Dokładniej atom Ti-47” – mówi kierownik badań Sander Otte. „Ma o jeden neutron mniej niż naturalnie występujący Ti-48, co sprawia, że jądro jest lekko magnetyczne”. Ten magnetyzm, „spin” w języku kwantowym, można postrzegać jako rodzaj igły kompasu, która może wskazywać w różnych kierunkach. Orientacja spinu w danym momencie stanowi informację kwantową.
Dostrajanie interakcji kwantowych
Jądro atomu unosi się w – stosunkowo – gigantycznej pustce z dala od krążących wokół niej elektronów, nieświadome swojego otoczenia. Jest jednak jeden wyjątek: ze względu na wyjątkowo słabe „oddziaływanie nadsubtelne” spin jednego z elektronów może wpływać na spin jądrowy. „Łatwo powiedzieć, trudniej zrobić” – mówi Lukas Veldman, który niedawno obronił z wyróżnieniem pracę doktorską na temat tych badań. „Oddziaływanie nadsubtelne jest tak słabe, że jest skuteczne tylko w bardzo małym, precyzyjnie dostrojonym polu magnetycznym”.
Innowacyjna technika stabilności kwantowej
Gdy wszystkie warunki eksperymentalne zostały spełnione, badacze wykorzystali impuls napięcia, aby wypchnąć spin elektronu z równowagi, po czym oba spiny zachwiały się razem przez ułamek mikrosekundy. „Dokładnie tak, jak przewidział Schrödinger” – mówi Veldman. Oprócz eksperymentów przeprowadził obliczenia, które zaskakująco dobrze odtworzyły zaobserwowane fluktuacje. Silna zgodność między obserwacjami i przewidywaniami pokazuje, że podczas interakcji między elektronem a jądrem żadna informacja kwantowa nie jest tracona.
Przyszłość pamięci kwantowej
Skuteczna osłona przed środowiskiem sprawia, że spin jądrowy jest realnym kandydatem do przechowywania informacji kwantowej. Obecne badania mogą przybliżyć to zastosowanie o krok. Ale nie to jest główną motywacją badaczy. Otte: „Ten eksperyment daje ludziom wpływ na stan materii na niewyobrażalnie małą skalę. Już samo to sprawia, że jest to warte wysiłku”.
Odniesienie: „Coherent spin dynamics między elektronem a jądrem w pojedynczym atomie” Lukas M. Veldman, Evert W. Stolte, Mark P. Canavan, Rik Broekhoven, Philip Willke, Laëtitia Farinacci i Sander Otte, 11 września 2024 r., Komunikacja przyrodnicza.
DOI: 10.1038/s41467-024-52270-0
