Учёные научились манипулировать атомными ядрами с помощью сверхтонкого взаимодействия

Учёные из Делфтского технического университета в Нидерландах сумели инициировать контролируемое движение в самом сердце атома, что является значительным достижением в области квантовой физики.

Исследователи смогли заставить атомное ядро взаимодействовать с одним из электронов на внешних оболочках атома, что позволило им манипулировать этим электроном и считывать его данные через иглу сканирующего туннельного микроскопа.

Это исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, открывает новые перспективы для хранения квантовой информации внутри ядра, где она защищена от внешних возмущений.

Иллюстрация: TU Delft

Учёные изучали один атом титана, у которого на один нейтрон меньше, чем у распространённого в природе Ti-48. «У Ti-47 на один нейтрон меньше, чем у распространённого в природе Ti-48, что делает ядро слегка магнитным. Этот магнетизм, или "спин" на квантовом языке, можно рассматривать как своего рода стрелку компаса, которая может указывать в разных направлениях. Ориентация спина в данный момент времени представляет собой часть квантовой информации», — пояснил руководитель исследования Сандер Отте.

Ядро атома находится внутри «пустоты» вдали от вращающихся электронов. Из-за чрезвычайно слабого взаимодействия спин ядра может быть подвержен влиянию спина одного из электронов. «Сверхтонкое взаимодействие настолько слабо, что оно эффективно только в очень маленьком, точно настроенном магнитном поле», — добавил Лукас Вельдман, защитивший докторскую диссертацию по этому исследованию.

После того, как все экспериментальные условия были выполнены, исследователи использовали импульс напряжения, чтобы вывести спин электрона из равновесия, после чего оба спина колебались вместе в течение доли микросекунды.

«Именно так, как предсказал Шрёдингер», — сказал Вельдман. Наряду с экспериментами, исследователи провели расчёты, которые удивительно хорошо воспроизвели наблюдаемые флуктуации. Сильное согласие между наблюдениями и предсказаниями показывает, что при взаимодействии электрона и ядра не теряется квантовая информация.

Эффективная защита от окружающей среды делает ядерный спин жизнеспособным кандидатом для хранения квантовой информации. Текущие исследования могут приблизить это применение на один шаг. Но это не то, что в первую очередь движет исследователями. «Этот эксперимент даёт возможность влиять на состояние материи в невообразимо малых масштабах. Для меня это уже само по себе стоит усилий», — поделился Отте.