Физики сделали то, что считали невозможным: научились управлять спином ядра отдельного атома

Исследователи из нидерландского Делфтского технологического университета (Delft University of Technology) научились управлять ядерным спином отдельного атома с помощью радиочастотных сигналов, подаваемых через иглу сканирующего туннельного микроскопа. Результат оказался неожиданным: физики полагали, что при слабой связи между ядерным спином и спином электрона непосредственно воздействовать на ядро атома таким способом невозможно.

В эксперименте учёные использовали модифицированный сканирующий туннельный микроскоп, позволяющий направлять электрические сигналы на отдельный атом. Исследователи усовершенствовали метод двойного магнитного резонанса, чтобы независимо воздействовать на спин электрона и спин ядра атома, рядом с которым он находится — это квантовые характеристики, связанные с магнитными состояниями этих частиц. Ранее ядерный спин удавалось исследовать преимущественно косвенно, через сверхтонкое взаимодействие, связывающее его с электронным спином — такое взаимодействие приводит к частичному квантовому запутыванию этих состояний.

В ходе эксперимента исследователи одновременно подавали два сигнала: один — на частоте, соответствующей переключениям электронного спина, другой — ядерного. Это позволило изучать влияние сигналов раздельно. Учёные обнаружили, что ориентацию ядерного спина можно переключать даже тогда, когда он слабо связан со спином электрона и эти состояния в значительной степени перестают быть запутанными. При этом характерные частоты ядерного спина в 100–1000 раз ниже частот электронного спина. Почему ядро всё же реагирует на электрические сигналы микроскопа при столь слабой связи с электроном, теоретикам ещё предстоит выяснить: экспериментаторы пока не готовы ответить на этот вопрос.

Обнаруженное в эксперименте явление очень важно для квантовых технологий. Ядерные спины менее чувствительны к влиянию окружающей среды, чем электронные. Это означает, что запись квантовой информации с их помощью будет надёжнее и позволит дольше её сохранять. Кроме того, использование кубитов на базе ядерных спинов может снизить количество ошибок квантовых вычислений. Но для начала необходимо разобраться, что именно происходит и что показал эксперимент. На это потребуется время.