物理學(xué)家實時測量原子磁心的脈沖

原子的磁性心臟在量子態(tài)之間來回滴答作響時的脈沖是在實驗室中計時的。

物理學(xué)家使用了一個掃描隧道顯微鏡觀察電子與鈦 49 原子核同步運動，從而使它們能夠單獨估計核心磁搏動的持續(xù)時間。

“這些發(fā)現(xiàn)，”他們在論文中寫道，“對核自旋弛豫的本質(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的開發(fā)相關(guān)。

相關(guān)：這張令人驚嘆的圖像是我們見過的最高分辨率的原子

自旋是物理學(xué)家用來描述量子版本的術(shù)語角動量.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)會帶來真正的困境。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)的一個團(tuán)隊認(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?，這些早期測量速度太慢，無法捕捉核自旋隨時間推移的運動。”

為了彌補(bǔ)這一點，研究人員開發(fā)了一種脈沖測量方案，即掃描隧道顯微鏡以短脈沖測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)行實驗，稱為鈦 49。這種同位素是核物理研究的熱門選擇，因為它的原子核具有有趣的磁反應(yīng)特性以及科學(xué)家可以縱的強(qiáng)烈自旋來了解原子核的行為。

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

“我們能夠證明這種轉(zhuǎn)換對應(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，”斯托爾特 說.“任何新實驗前沿的第一步是能夠測量它，這就是我們能夠在原子尺度上為核自旋做的事情?！?/p>

該研究已發(fā)表在自然通訊.

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