Исследователи Делфтского технического университета с коллегами продемонстрировали управление ядерным спином одиночного атома титана с помощью локального зонда. Переключение удалось зарегистрировать даже при слабом смешивании состояний ядра и электрона. Работа опубликована в журнале Nature Communications.
Спин определяет магнитные свойства квантовой частицы. В атоме магнитный момент могут иметь как электроны, так и ядро. Ядерный спин слабее взаимодействует с окружением, благодаря чему потенциально способен дольше сохранять квантовое состояние. Однако эта защищенность одновременно затрудняет управление им и считывание информации.
Команда использовала сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий подводить электрические сигналы к отдельному атому на поверхности. Объектом стал изотоп титан-47, ядро которого имеет спин 5/2 и несколько доступных энергетических состояний.
Исследователи адаптировали для одиночного атома метод двойного электронно-ядерного резонанса. Два сигнала разной частоты позволили воздействовать на электронные и ядерные переходы по отдельности и изучать их взаимное влияние.
Для переключения между состояниями необходимо подобрать резонансную частоту, соответствующую разности энергий. У ядерного спина такие частоты значительно ниже, чем у электронного. Сравнение измерений с расчетами помогло охарактеризовать взаимодействия ядра с электроном и локальным электрическим окружением.
Неожиданность заключалась в том, что ядерные переходы сохранялись и в режиме слабого смешивания с электронными состояниями. По словам исследователей, простое объяснение через связь с электронным спином не дает полной картины того, как сигнал зонда воздействует на ядро.
Результат расширяет инструменты изучения атомных ядер и может быть полезен для квантовой памяти. При этом работа представляет собой эксперимент по управлению отдельным спином: готовое устройство хранения информации команда не создала, а механизм возбуждения еще требует уточнения.
Ранее решена квантовая загадка, которая десятилетиями ставила физиков в тупик.