Учені знайшли спосіб керувати окремими елементами атома, але не розуміють, як це взагалі можливо

Несподівана поведінка атомного ядра

Команда дослідників із Делфтського технічного університету маніпулювала ядерним спіном за умов, коли частинка взагалі не повинна була реагувати. Зазвичай фізики працюють з електронним магнетизмом, адже він помітно потужніший і його значно простіше зафіксувати. Натомість магнітні властивості ядра виражені слабше, проте воно майже не піддається стороннім збуренням довкілля. Результати опубліковані в журналі Nature Communications.

Досі науковці впливали на ядро лише опосередковано завдяки взаємодії між ним та електроном. Проте під час експериментів учені спрямували на окремий атом одночасно два електричні сигнали за допомогою модифікованого сканувального тунельного мікроскопа. Перший імпульс націлили на електрон, а другий – на саме ядро.

Дослідники виявили, що можуть перевернути ядерний спін навіть тоді, коли зв'язок з електронним спіном майже відсутній. Така самостійна реакція частинки на електричні імпульси мікроскопа суперечить попереднім теоретичним моделям.

Згідно з нашим простим розумінням, цього насправді не мало б відбуватися. Ядерний спін узагалі не повинен бути чутливим до електричних сигналів сканувального тунельного мікроскопа– прокоментував керівник дослідження Сандер Отте.

Щоб перемикати стан окремої частинки, автори адаптували відомий метод подвійного магнітного резонансу для масштабу одиничного атома. Команда підібрала точні радіосигнали, які відповідали індивідуальним магнітним резонансам компонентів атома. За законами квантової механіки, спін переходить між фіксованими станами виключно після отримання сигналу потрібної частоти.

Це можна порівняти зі струнами гітари. Кожне можливе обертання спіну схоже на струну з власною нотою. Ви маєте зіграти саме ту ноту, щоб змусити вібрувати конкретну струну. Ноти ядерного спіну в сотні чи тисячі разів нижчі, ніж електронного– розповіла провідна авторка роботи Гестер Веннема.

Нові перспективи для квантової пам'яті

Здатність адресно керувати ядерним спіном відкриває великі перспективи для збереження квантової інформації. Оскільки ядра атомів мають надійний природний захист від зовнішніх шумів, вони можуть слугувати надзвичайно стійкими кубітами. Попри те, що до практичного застосування в обчислювальних системах ще далеко, цей експеримент заклав основу для нових способів запису та зчитування даних.

Водночас результат поставив перед фізиками нову фундаментальну загадку: який фізичний механізм змушує ядро реагувати на електричний імпульс без достатньої підтримки з боку електрона. Тепер дослідники готуються повернутися до теоретичних розрахунків і нових тестів, щоб з'ясувати невідомі деталі квантової поведінки.