Исследователи из Делфтского технологического университета в Нидерландах смогли увидеть, как магнитное ядро атома переключается туда и обратно в режиме реального времени. Они считывают «спин» ядра через электроны в том же атоме с помощью иглы сканирующего туннельного микроскопа.
К их удивлению, спин оставался стабильным в течение нескольких секунд, что открывает перспективы для усиления контроля над магнитным ядром. Исследование, опубликованное в Nature Communications, является шагом вперёд для квантового зондирования на атомном уровне.
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ)
Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) состоит из атомарно-острой иглы, которая может «ощущать» отдельные атомы на поверхности и создавать изображения с атомным разрешением. Точнее, СТМ может ощущать только электроны, которые окружают атомное ядро. И электроны, и ядро в атоме потенциально являются маленькими магнитами.
В зависимости от типа атома каждый из них несёт величину, называемую «спином», квантово-механическим эквивалентом магнетизма. Измерение движения отдельного спина электрона с помощью СТМ было впервые достигнуто десять лет назад. Исследовательская группа из Делфта под руководством профессора Сандера Отте хотела знать: можно ли также использовать СТМ для считывания спина ядра во времени, другой части атома?
Результаты исследования
СТМ не чувствителен к ядерным спинам напрямую, поэтому команде пришлось использовать электрон для косвенного считывания спина ядра. «Общая идея была продемонстрирована несколько лет назад с использованием так называемого сверхтонкого взаимодействия между электронами и ядерными спинами», — объясняет Отте. «Однако эти ранние измерения были слишком медленными, чтобы уловить движение ядерного спина с течением времени».
Первые авторы Эверт Стольте и Джинвон Ли провели быстрые измерения на атоме, известном тем, что у него есть ядерный спин. К их удивлению, они наблюдали переключение сигнала между двумя различными уровнями в реальном времени на экране своего компьютера.
«Мы смогли показать, что это переключение соответствует переводу ядерного спина из одного квантового состояния в другое и обратно», — говорит Стольте. Они определили, что для изменения спина требуется около пяти секунд, что намного больше, чем у многих других квантовых систем, доступных для СТМ. Например, время жизни спина электрона в том же атоме составляет всего около 100 наносекунд.
Поскольку исследователи могли измерять состояние ядерного спина быстрее, чем оно переключается, и (в основном) не вызывая переключения самим измерением, они достигли так называемого «однократного считывания». Это открывает захватывающие экспериментальные возможности для управления ядерным спином.
Квантовое вычисление для представления эффекта Ефимова в пяти атомах
На квантовом уровне материя ведёт себя странно, и среди странностей — эффект Ефимова, состояние, в котором силы притяжения между тремя или более атомами связывают их вместе, даже когда они возбуждаются до более высоких энергетических уровней, в то время как той же силы недостаточно для связывания двух атомов.
В Университете Пердью исследователи завершили огромный квантовый расчёт, необходимый для представления эффекта Ефимова в пяти атомах, добавив к нашей фрагментарной картине самой фундаментальной природы материи. Расчёт, который применяется к широкому спектру физических задач — от группы атомов, изучаемых в лазерной ловушке, до газов в нейтронной звезде — способствует нашему фундаментальному пониманию материи и может привести к более эффективным методам удержания атомов для изучения.
Для Кристофера Грина, заслуженного профессора физики в Университете Пердью, который смоделировал проблему с четырьмя атомами в 2009 году, достижение заняло 15 лет. Грин является членом Института квантовой науки и инженерии Пердью. Исследование взаимодействий между пятью атомами было опубликовано в Proceedings of the National Academy of Sciences.
«Понимание того, как взаимодействуют пять частиц, является фундаментальной проблемой, которую нам нужно решить, если мы хотим продвинуть квантовые приложения за пределы лаборатории», — сказал Грин, который руководил исследованием в сотрудничестве с Майклом Хиггинсом, постдокторантом в лаборатории Грина во время исследования.
Магнитные частицы для имитации биологических механизмов коррекции ошибок
Сотрудничество под руководством Корнелла разработало микромасштабные магнитные частицы, которые могут имитировать способность биологических материалов, таких как белки и нуклеиновые кислоты, самоорганизовываться в сложные структуры, одновременно выборочно уменьшая паразитические отходы, которые в противном случае засоряют производство.
Эта магнитная платформа для сборки может однажды привести к появлению нового класса самосборных биомиметических устройств и микромасштабных машин. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences. Ведущие авторы статьи — постдокторанты Зекси Лианг и Мелоди Лим.
В течение многих лет Итай Коэн, профессор физики, и Пол МакЮэн, заслуженный профессор физических наук, оба из Колледжа искусств и наук, изучали, как связывающую силу магнитов можно использовать для проектирования микро- и наномасштабных самоорганизующихся систем.
Идея заключалась в том, чтобы по существу миниатюризировать магнитный строительный набор путём изготовления микронных структур и машин в Корнеллском центре наномасштабных наук и технологий (CNF) и исследовать, что происходит, когда информация кодируется в отдельных блоках размером в микрометр.
«Мы хотели увидеть, как далеко мы можем зайти», — сказал Коэн. «Это кульминация нашей работы».
Одним из препятствий в системах самосборки является то, что системы часто застревают в деформированных промежуточных состояниях — так называемых «паразитических продуктах», которые засоряют работу и снижают эффективность. Однако у биологических систем есть способ компенсировать это: за счёт энергии в виде ферментов и аденозинтрифосфата (АТФ) они могут сделать так, чтобы промежуточные состояния образовывались труднее, а разрушались легче. Этот механизм коррекции ошибок позволяет системе достичь правильной структуры с высокой точностью.
«Мы ввели новую «ручку», которая представляет собой магнитные поля, как способ реализации стратегии коррекции ошибок», — сказал Коэн. Исследователи создали плоские мономерные панели, украшенные сотнями магнитов, каждый размером примерно 500 нанометров в длину и 50 нанометров в ширину, чтобы они все имели одинаковую магнитную силу.