Για πρώτη φορά οι επιστήμονες παρακολούθησαν τον «παλμό» ενός ατομικού πυρήνα σε πραγματικό χρόνο!

Μια ανακάλυψη που ανοίγει νέους ορίζοντες στην κβαντική φυσική και στις εφαρμογές της πραγματοποίησε ομάδα ερευνητών από το Delft University of Technology στην Ολλανδία. Για πρώτη φορά κατάφεραν να παρακολουθήσουν έναν ατομικό πυρήνα να αλλάζει τον μαγνητικό του προσανατολισμό σε πραγματικό χρόνο – μια διαδικασία που μέχρι σήμερα θεωρούνταν απρόσιτη σε άμεση παρατήρηση.

Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Nature Communications, βασίστηκε στη χρήση ενός εξαιρετικά ευαίσθητου εργαλείου: του μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας (STM). Πρόκειται για ένα όργανο με αιχμή σε ατομική κλίμακα, ικανό να «αισθάνεται» μεμονωμένα άτομα πάνω σε μια επιφάνεια και να δημιουργεί εικόνες με ανάλυση ατόμου. Παρόλο που το STM ανιχνεύει μόνο τα ηλεκτρόνια που περιβάλλουν τον πυρήνα, οι ερευνητές κατάφεραν να εκμεταλλευτούν αυτή τη δυνατότητα ώστε να «διαβάσουν» έμμεσα και την κατάσταση του ίδιου του πυρήνα.

Η ομάδα του καθηγητή Sander Otte είχε ήδη στο παρελθόν συμβάλει στην πρόοδο του πεδίου, όταν πριν από περίπου δέκα χρόνια κατάφερε να μετρήσει για πρώτη φορά την κίνηση ενός μεμονωμένου ηλεκτρονικού spin με τη βοήθεια STM. Το ερώτημα που τους απασχολούσε ήταν αν το ίδιο θα μπορούσε να γίνει και με το πυρηνικό spin, το «κρυφό» μέρος του ατόμου που μέχρι σήμερα παρέμενε σχεδόν απρόσιτο σε τέτοιου είδους πειράματα.

Οι ερευνητές γνώριζαν ότι η άμεση μέτρηση του πυρηνικού spin δεν ήταν εφικτή, καθώς το STM δεν είναι αρκετά ευαίσθητο. Αντ’ αυτού, χρησιμοποίησαν μια έμμεση μέθοδο: την αλληλεπίδραση υπερλεπτού διαχωρισμού (hyperfine interaction), δηλαδή την ισχυρή σύνδεση που υπάρχει μεταξύ του ηλεκτρονικού και του πυρηνικού spin. Έτσι, μετρώντας την κατάσταση των ηλεκτρονίων, μπορούσαν να αποκτήσουν πληροφορίες για τον πυρήνα.

Η πρωτοποριακή προσέγγιση των Evert Stolte και Jinwon Lee, πρώτων συγγραφέων της μελέτης, έφερε τα πρώτα αποτελέσματα. Με ταχύτατες μετρήσεις σε άτομα γνωστά για την ύπαρξη πυρηνικού spin, παρατήρησαν για πρώτη φορά το σήμα να μεταπηδά ζωντανά στην οθόνη τους ανάμεσα σε δύο διαφορετικά επίπεδα. Αυτή η μετάβαση, όπως εξήγησαν, αντιστοιχούσε στην εναλλαγή του πυρηνικού spin από μια κβαντική κατάσταση σε μια άλλη.

Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της παρατήρησης ήταν η χρονική κλίμακα. Το πυρηνικό spin παρέμενε σταθερός για περίπου πέντε δευτερόλεπτα πριν «αναποδογυρίσει» ξανά – διάστημα πολύ μεγαλύτερο από αυτό που ισχύει για τα ηλεκτρόνια. Για σύγκριση, το spin ενός ηλεκτρονίου στον ίδιο ατομικό πυρήνα έχει διάρκεια ζωής μόλις 100 νανοδευτερόλεπτα. Η σταθερότητα αυτή προσφέρει μια μοναδική ευκαιρία για λεπτομερέστερο έλεγχο και χειρισμό των κβαντικών καταστάσεων.

Το γεγονός ότι οι ερευνητές μπορούσαν να μετρούν την κατάσταση του πυρηνικού spin ταχύτερα από όσο χρειαζόταν για να αλλάξει και χωρίς να προκαλούν οι ίδιοι την αναστροφή του, τους έδωσε τη δυνατότητα του λεγόμενου «single-shot readout». Η τεχνική αυτή σημαίνει πως είναι πλέον εφικτή η καταγραφή της κατάστασης με μία μόνο μέτρηση, χωρίς την ανάγκη επαναλαμβανόμενων πειραμάτων. Ένα τέτοιο επίτευγμα θεωρείται θεμέλιο για τον περαιτέρω χειρισμό των πυρηνικών spins.

Η σημασία του εγχειρήματος εκτείνεται πέρα από την ακαδημαϊκή έρευνα. Η ικανότητα να ελέγχουμε και να διαβάζουμε πυρηνικά spins σε ατομικό επίπεδο ανοίγει νέους δρόμους για τεχνολογίες αιχμής όπως η κβαντική προσομοίωση και οι κβαντικοί αισθητήρες. Οι εφαρμογές αυτές υπόσχονται συστήματα μέτρησης με πρωτοφανή ακρίβεια, ικανά να ανιχνεύσουν εξαιρετικά αδύναμα μαγνητικά πεδία ή να λειτουργήσουν ως πλατφόρμες για προσομοιώσεις που θα βοηθήσουν στην κατανόηση πολύπλοκων φυσικών φαινομένων.

Όπως σημειώνει ο Stolte, «το πρώτο βήμα σε κάθε νέο πειραματικό πεδίο είναι η δυνατότητα μέτρησης. Αυτό ακριβώς καταφέραμε: να μετρήσουμε το πυρηνικό spin σε ατομική κλίμακα». Η δήλωση αυτή συνοψίζει το νόημα της ανακάλυψης: πριν μπορέσουμε να χειριστούμε ή να αξιοποιήσουμε μια ιδιότητα της φύσης, πρέπει πρώτα να είμαστε σε θέση να την παρατηρήσουμε καθαρά.

Το επίτευγμα της ομάδας του Delft University of Technology δεν σημαίνει ότι βρισκόμαστε άμεσα μπροστά σε πρακτικές συσκευές που θα αξιοποιούν τα πυρηνικά spins. Όμως, ανοίγει ένα νέο παράθυρο σε έναν κόσμο που μέχρι σήμερα ήταν αόρατος και αυτό είναι συχνά το πρώτο, καθοριστικό βήμα που οδηγεί από τη θεωρία στην τεχνολογική επανάσταση.

[via]