物理學(xué)家實(shí)時(shí)測(cè)量原子磁心的脈沖

原子的磁性心臟在量子態(tài)之間來(lái)回滴答作響時(shí)的脈沖是在實(shí)驗(yàn)室中計(jì)時(shí)的。

物理學(xué)家使用了一個(gè)掃描隧道顯微鏡觀察電子與鈦 49 原子核同步運(yùn)動(dòng)，從而使它們能夠單獨(dú)估計(jì)核心磁搏動(dòng)的持續(xù)時(shí)間。

“這些發(fā)現(xiàn)，”他們?cè)谡撐闹袑懙?/a>，“對(duì)核自旋弛豫的本質(zhì)進(jìn)行了原子尺度的洞察，并且與原子組裝量子比特平臺(tái)的開發(fā)相關(guān)。

相關(guān)：這張令人驚嘆的圖像是我們見過(guò)的最高分辨率的原子

自旋是物理學(xué)家用來(lái)描述量子版本的術(shù)語(yǔ)角動(dòng)量.它不僅是磁鐵行為的基礎(chǔ)，而且通常構(gòu)成磁鐵行為的基礎(chǔ)量子計(jì)算作為信息的“位”，稱為量子比特。

在量子風(fēng)暴中嗡嗡作響的許多亞原子粒子有助于原子核的整體自旋，盡管集體自旋在采用某種構(gòu)型時(shí)的觸發(fā)器很容易受到原子周圍環(huán)境的影響。在環(huán)境擾亂這種集體自旋狀態(tài)之前了解它的特征可以為工程師提供一種新的量子比特來(lái)玩。

然而，在不影響原子核的情況下觀察原子核的自旋狀態(tài)會(huì)帶來(lái)真正的困境。因此，由荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的物理學(xué)家埃弗特·斯托爾特（Evert Stolte）和李振元（Jinwon Lee）領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，他們也許能夠利用原子中電子的行為作為代理。

幾年前，研究人員確定他們可以使用所謂的超精細(xì)交互在電子和它們的原子核之間作為引導(dǎo)，而不需要直接干擾它的磁舞。

“幾年前，利用電子和核自旋之間所謂的超精細(xì)相互作用，就已經(jīng)證明了總體想法，”物理學(xué)家桑德·奧特解釋道代爾夫特理工大學(xué)?！叭欢@些早期測(cè)量速度太慢，無(wú)法捕捉核自旋隨時(shí)間推移的運(yùn)動(dòng)?！?/p>

為了彌補(bǔ)這一點(diǎn)，研究人員開發(fā)了一種脈沖測(cè)量方案，即掃描隧道顯微鏡以短脈沖測(cè)量具有已知核自旋的原子，中間有中斷，而不是一次連續(xù)測(cè)量。

他們選擇了一種穩(wěn)定的、天然存在的鈦同位素進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，稱為鈦 49。這種同位素是核物理研究的熱門選擇，因?yàn)樗脑雍司哂?a>有趣的磁反應(yīng)特性以及科學(xué)家可以縱的強(qiáng)烈自旋來(lái)了解原子核的行為。

在脈沖狀態(tài)下，Stolte 和 Lee 在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示的讀數(shù)中實(shí)時(shí)觀察到原子的切換。他們確定每個(gè)開關(guān)之間有大約五秒的時(shí)間間隔——他們可以比原子核振蕩更快地執(zhí)行這一測(cè)量。

“我們能夠證明這種轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)于核自旋從一種量子態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種量子態(tài)，然后再翻回來(lái)，”斯托爾特 說(shuō).“任何新實(shí)驗(yàn)前沿的第一步是能夠測(cè)量它，這就是我們能夠在原子尺度上為核自旋做的事情。”

該研究已發(fā)表在自然通訊.

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