Radiobølger ændrer kernespin i ét titanatom – også ved svag kobling til elektronen

Forskere ved TU Delft har fået kernespinnet i et enkelt titanatom på en overflade til at reagere på et radiosignal fra et tunnelmikroskop. Reaktionen var stadig til stede under forhold, hvor koblingen mellem atomets elektronspin og kernespin var svag. Det overraskede holdet og åbner et nyt spørgsmål om, hvordan signalet påvirker kernen.

Universitetet præsenterede resultatet den 27. oktober. Den fagfællebedømte, accepterede artikel blev offentliggjort den 24. oktober i Nature Communications som en tidlig manuskriptversion. Det er et enkeltatomforsøg i et specialiseret laboratorium, som kan bidrage til arbejdet med at kontrollere og aflæse kvanteinformation.

Kernen er godt beskyttet og svær at nå

Spin er en kvantemekanisk egenskab, som kan give en partikel en magnetisk virkning. Både elektroner og visse atomkerner har spin. TU Delft forklarer, at kernens magnetiske signal er langt svagere end elektronens, men til gengæld bedre afskærmet fra omgivelserne.

Den beskyttelse er interessant, når en tilstand skal bevares. Samtidig gør den det vanskeligere at ændre tilstanden og finde ud af, hvilken tilstand kernen befinder sig i. Forskningen skal altså håndtere to hensyn på én gang: isolation fra forstyrrelser og adgang for et kontrolleret signal.

Holdet i Sander Ottes laboratorium bruger et ombygget tunnelmikroskop, som kan rette elektriske signaler mod et bestemt atom. Hester Vennema og kollegerne tilførte to signaler med forskellige frekvenser, så påvirkningen af elektron og kerne kunne undersøges hver for sig.

To signaler giver adgang til forskellige overgange

Forsøget bygger på dobbelt magnetisk resonans. Et signal påvirker elektronspinnet, mens et andet afsøger kernens overgange. Ved at følge ændringer i elektronens resonanssignal kan forskerne undersøge, hvad der sker med kernespinnets tilstande.

Resonans betyder, at signalets frekvens skal passe til en bestemt energiforskel. Man får derfor ikke nødvendigvis den ønskede virkning ved blot at skrue op for et vilkårligt radiosignal. Frekvensen er en del af adressen til den overgang, forskerne vil undersøge.

Det undersøgte atom var isotopen titan-47, placeret på et tyndt lag magnesiumoxid oven på sølv. Målingerne foregik ved 0,4 kelvin, tæt på det absolutte nulpunkt. Blandt de tydelige kernespinsignaler var resonanser omkring 50 og 85 megahertz.

De betingelser er vigtige for at forstå resultatets rækkevidde. Et atom på en nøje forberedt overflade ved ekstrem kulde er en kontrollerbar forsøgsplatform. Det er samtidig et stort spring fra sådan en platform til elektronik, der skal fungere under almindelige driftsforhold.

Signalet forsvandt ikke som forventet

Elektronspinnet og kernespinnet påvirker hinanden gennem den såkaldte hyperfinvekselvirkning. Den kan blande deres tilstande, så en påvirkning af den ene del også giver adgang til den anden.

Det særlige ved det nye resultat er, at forskerne også kunne påvirke kernespinnet i et område med svag blanding. Universitetet fremhæver, at det ikke stemte med holdets enkle forventning til, hvordan mikroskopets elektriske signal skulle virke. Den præcise drivmekanisme er derfor fortsat et forskningsspørgsmål.

Det er en nyttig skelnen: Man kan godt registrere en robust virkning, før alle led i forklaringen er på plads. Her bliver uoverensstemmelsen mellem forventning og måling selv et mål for nye forsøg.

Et skridt mod kontrol, ikke en færdig kvantehukommelse

Studiet påviser overgange mellem kernespintilstande og undersøger deres koblinger til det atomare miljø. Forfatterne beskriver sammenhængende, præcis kontrol af kernespinnet som et videre mål. Resultatet skal derfor ikke læses som en demonstration af en færdig kvantehukommelse eller et komplet kvantekredsløb.

Det er heller ikke første gang, en enkelt atomkernes spin er blevet kontrolleret. Artiklen henviser til tidligere arbejde i andre platforme, blandt andet diamant og silicium. Bidraget her er adgangen til en kerne i et overfladeatom via en lokal probe og i et regime med svag blanding med elektronspinnet.

Tunnelmikroskopet giver samtidig mulighed for at undersøge det lokale atomare miljø. Kombinationen kan hjælpe forskere med at finde ud af, hvilke omgivelser der både beskytter kernespinnet og gør det tilgængeligt. Næste udfordring er at forklare og udnytte den adgang mere præcist.