Квантовый скачок: физики впервые засняли продолжительное изменение состояния атомного ядра⁠⁠

Команда Технического университета Делфта впервые в реальном времени наблюдала, как ядерный спин отдельного атома переключается между квантовыми состояниями, добившись одноимпульсного считывания состояния через электронную оболочку с помощью сканирующего туннельного микроскопа (STM) и электронного спин-резонанса (ESR). Наблюдалась уникальная стабильность ядерного спина на масштабах порядка 5 секунд, что открывает путь к атомарному квантовому сенсингу и управлению на поверхности твердого тела.

Исследователи использовали STM/ESR-подход, при котором прямое состояние ядра считывается косвенно — по влиянию сверхтонкого (hyperfine) взаимодействия на электронный спин и туннельный ток, давая «ступенчатые» переключения в реальном времени. На одиночном атоме изотопа 49Ti на подложке MgO/Ag реализован быстрый импульсный режим, где скорость измерения превышает скорость естественного флипа ядра, что обеспечило одноимпульсное чтение без усреднения; характерное время стабильности ядерного спина составило около 5 с, тогда как электронный спин релаксирует примерно за 100 нс.

Значимость результата в том, что продолжительное время жизни ядерного спина на поверхности создают ресурс для долговременной памяти и высокочувствительных сенсоров на атомном масштабе, где ядерные спины выступают более «тихими» кубитами по сравнению с электронными. Достижение одноимпульсного чтения — ключевой рубеж: считывание быстрее релаксации открывает возможность протоколов обратной связи и управляемых последовательностей без статистического усреднения, что критично для поверхностной квантовой метрологии, сенсоров и симуляторов.