Представьте устройство, способное управлять магнитными свойствами ядра единственного атома. До недавнего времени такая задача казалась практически недостижимой с помощью электрических сигналов, используемых в сканирующей туннельной микроскопии. Однако физики из Делфтского технологического университета в Нидерландах продемонстрировали именно такую возможность. Их эксперимент показал, что ядерный спин можно переключать даже в условиях, когда привычный механизм его взаимодействия с электронным спином должен быть крайне слабым.
Чтобы понять необычность открытия, необходимо вспомнить устройство атома. В его центре находится ядро, состоящее из протонов и нейтронов, а вокруг располагается электронная оболочка. Многие элементарные частицы обладают спином — внутренним квантовым свойством, связанным с магнитным моментом. Хотя спин часто сравнивают с вращением крошечного волчка, в действительности это не механическое вращение частицы вокруг собственной оси.
Электронный спин играет важную роль в магнетизме вещества. Именно взаимодействия электронных магнитных моментов определяют многие свойства железа, никеля и других магнитных материалов. Однако некоторые атомные ядра также обладают собственным магнитным моментом. Он обычно значительно слабее электронного, поскольку магнитные свойства ядерных частиц связаны с гораздо меньшим характерным масштабом магнитного момента.
Эта слабость одновременно создаёт трудности и открывает возможности. Ядерный спин значительно труднее контролировать и измерять, но он часто оказывается менее чувствительным к внешним электромагнитным возмущениям. Поэтому такие состояния рассматривают как перспективные носители квантовой информации. Если удастся надёжно управлять отдельными ядерными спинами, они потенциально смогут выполнять роль элементов квантовой памяти.
Группа под руководством Сандера Отте давно исследует магнитные свойства отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа. Этот прибор использует чрезвычайно острый металлический наконечник, который подводят к поверхности образца на расстояние порядка атомных размеров. Между наконечником и поверхностью возникает туннельный ток — поток электронов, проходящих через потенциальный барьер благодаря квантовомеханическому эффекту. Изменения этого тока позволяют изучать свойства отдельных атомов.
Для управления электронным спином исследователи могут подавать высокочастотные электрические сигналы на наконечник микроскопа. При определённых условиях они вызывают переходы между квантовыми состояниями электрона. Такой подход уже используется в экспериментах по магнитному резонансу отдельных атомов. Но ядерный спин гораздо слабее взаимодействует с внешними воздействиями, поэтому его управление представляет отдельную проблему.
До сих пор исследователи обычно получали информацию о состоянии ядра косвенно, через электронный спин. Между двумя магнитными моментами существует сверхтонкое взаимодействие — связь, обусловленная электромагнитными свойствами ядра и электронной оболочки. Благодаря ей изменение состояния одной системы может влиять на другую. Однако такой способ затрудняет независимое управление ядерным и электронным спинами.
В новом эксперименте Хестер Веннема и её коллеги использовали усовершенствованную методику двойного электронно-ядерного магнитного резонанса. Она известна под сокращением ENDOR и позволяет исследовать связанные электронные и ядерные магнитные состояния. Учёные адаптировали этот подход для работы с единственным атомом, используя сканирующий туннельный микроскоп. Это позволило подавать сигналы с различными частотами и изучать отклик электронной и ядерной систем.
Принцип магнитного резонанса основан на том, что квантовая система обладает определёнными энергетическими уровнями. В магнитном поле разные ориентации спина могут соответствовать различным энергиям. Чтобы вызвать переход между ними, необходимо подать электромагнитное воздействие подходящей частоты. Если частота не соответствует разности энергий, вероятность нужного перехода резко уменьшается.
Здесь уместна аналогия с музыкальным инструментом. Струна гитары особенно хорошо откликается на колебания определённой частоты, соответствующей её собственному резонансу. Магнитные состояния атома также обладают характерными частотами переходов. Однако ядерные резонансы обычно находятся в значительно более низком частотном диапазоне, чем электронные, поскольку ядерный магнитный момент гораздо меньше.
Исследователи одновременно воздействовали на атом двумя различными сигналами. Один был предназначен для электронного спина, другой — для ядерного. Такая схема позволяла разделять их отклики и исследовать условия, при которых происходят переходы между состояниями. Именно здесь эксперимент принёс неожиданный результат: ядерный спин удавалось переключать даже тогда, когда электронное и ядерное состояния были в значительной степени разделены.
Согласно простой модели, такое управление должно было быть практически невозможным. Электрическое поле наконечника туннельного микроскопа непосредственно взаимодействует прежде всего с электронной системой. Ядро не должно столь эффективно реагировать на подобный сигнал без существенного посредничества электронного спина. Однако эксперимент показал, что привычное объяснение не охватывает всех процессов, происходящих в атоме.
Важно правильно понимать значение открытия. Учёные не обнаружили нарушение законов квантовой механики и не продемонстрировали существование неизвестной фундаментальной силы. Неожиданность заключается в том, что экспериментальный результат не укладывается в упрощённую модель механизма управления. Для его объяснения потребуется более детально изучить взаимодействия внутри атома и влияние локального электрического поля.
Особую ценность представляет возможность исследовать электронные и ядерные состояния по отдельности. В обычных экспериментах с большим количеством атомов измеряемый сигнал представляет собой усреднённый отклик множества частиц. Здесь же физики работают с единственным атомом, что позволяет изучать квантовые переходы без такого усреднения. Подобная точность особенно важна для проверки фундаментальных моделей взаимодействия магнитных моментов.
В перспективе независимое управление ядерным спином может оказаться полезным для квантовых технологий. Электронные спины сравнительно легко переключать и считывать, тогда как ядерные способны лучше сохранять квантовое состояние. Сочетание этих свойств потенциально позволяет создавать системы, в которых электрон используется для быстрых операций, а ядро — для долговременного хранения информации. Однако практическая реализация такой архитектуры потребует дополнительных исследований.
Пока эксперимент не демонстрирует готовую квантовую память или полноценный вычислительный элемент. Необходимо установить физический механизм обнаруженного эффекта, оценить точность управления и определить, насколько долго сохраняются подготовленные ядерные состояния. Кроме того, предстоит проверить, можно ли воспроизводить результат в других атомных системах и объединять несколько таких элементов.
Главное значение работы заключается в расширении возможностей управления квантовыми состояниями на предельно малом масштабе. Физики научились воздействовать на магнитное состояние ядра отдельного атома способом, эффективность которого оказалась неожиданной. Теперь исследователям предстоит объяснить, почему он работает. Именно такие результаты нередко становятся отправной точкой для новых методов квантовой физики: эксперимент обнаруживает возможность, которую существующая модель ещё не умеет полностью описать.
А затем «Добавить на главный экран».
