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)的一個團隊認為，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)。“然而，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?！?/p>

為了彌補這一點，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。”

該研究已發(fā)表在自然通訊.

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