Zespół z Delft University of Technology dokonał czegoś, co jeszcze do niedawna uznawano za niemożliwe. Badacze zaobserwowali w czasie rzeczywistym przełączanie spinu jądrowego pojedynczego atomu. Brzmi skomplikowanie? To dlatego, że takie właśnie jest. Jednak znaczenie tego odkrycia wykracza daleko poza laboratoryjne ciekawostki i może mieć realny wpływ na rozwój technologii kwantowych.
Naukowcy nie mogli po prostu zobaczyć spinu jądrowego – to fizycznie niemożliwe. Zamiast tego opracowali sprytną metodę pośredniego odczytu przy użyciu mikroskopu skaningowo-tunelowego z rezonansem spinu elektronowego. Ta technika, znana jako ESR-STM, działa jak niezwykle precyzyjny detektor. Badacze skupili się na atomie tytanu 49Ti umieszczonym na specjalnej powierzchni. Kluczowe okazało się osiągnięcie tak zwanego pojedynczego odczytu – możliwości zmierzenia stanu spinu szybciej niż ulega on zmianom, bez ingerencji w sam proces pomiaru.
Czytaj także: Spintronika zyskuje nowe narzędzie. Niemieccy naukowcy zaskakują świat
To, co zaobserwowali, było dość zaskakujące. Spin jądrowy utrzymywał stabilność przez około 5,3 sekundy – w skali kwantowej to niemal wieczność. Dla porównania, spin elektronowy w tym samym atomie istnieje zaledwie około 100 nanosekund. To różnica aż siedmiu rzędów wielkości. Badaczom udało się osiągnąć wierność odczytu na poziomie 98% dla obu stanów spinu jądrowego.
Głównym czynnikiem ograniczającym stabilność okazał się mechanizm relaksacji między jądrem a elektronem. Proces ten nasila się szczególnie gdy spin elektronowy zostaje wzbudzony, co wyjaśnia, dlaczego ciągłe pomiary skracają obserwowany czas życia spinu do około 100 milisekund.
Czytaj także: Fizycy przesunęli jądro atomu. Obiecujące osiągnięcie fizyków kwantowych
Osiągnięcie holenderskiego zespołu to coś więcej niż tylko akademicka ciekawostka. Długi czas życia spinu jądrowego, przewyższający możliwości konwencjonalnych wzmacniaczy prądu stosowanych w mikroskopii STM, otwiera nowe możliwości badawcze. W przyszłości ta technologia może umożliwić łączenie operacji spinowych z precyzyjnymi ruchami końcówki mikroskopu między różnymi atomami. To z kolei może prowadzić do tworzenia rozszerzonych struktur atomowych zawierających wiele spinów, które mogłyby posłużyć jako podstawa dla symulacji kwantowych czy czujników kwantowych w skali atomowej.
Opracowana metodologia może zostać zastosowana do innych atomów i cząsteczek na różnych powierzchniach, co znacznie poszerza jej potencjalne zastosowania w spintronice i informatyce kwantowej. Choć do praktycznego wykorzystania tych odkryć wciąż daleka droga, każde takie osiągnięcie przybliża nas do epoki, w której technologie kwantowe staną się częścią naszej codzienności. Pozostaje zatem trzymać kciuki za dalsze postępy, choć historia uczy, że od laboratoryjnego przełomu do komercyjnego produktu wiedzie długa i kręta ścieżka.