Tutkijat hallitsevat yksittäisen atomin magneettista ydintä

Metalleissa, kuten raudassa ja nikkelissä, jokainen atomi on hieman magneettinen. Mutta atomin sisällä toimii myös erilaisia magneettisia "kompassin neuloja" eli spinejä.

"Voimakkain magnetismi tulee elektroneista", sanoo johtava tutkija Sander Otte. "Mutta joissakin atomeissa myös ytimessä on spin. Tämä spin on paljon heikompi, mutta se on myös paljon paremmin suojattu ulkomaailmalta."

Otten ryhmä tutkii spinejä käyttämällä muunnettua pyyhkäisytunnelointimikroskooppia. Tämä mahdollistaa sähköisten signaalien kohdistamisen äärimmäisen tarkasti yksittäiseen atomiin. Aiemmin tutkijat keskittyivät pääasiassa elektronin spiniin, joka on helpoin lukea. Ydinspin ilmeni vain epäsuorasti niin sanotun hyperhienon vuorovaikutuksen kautta. Tämä aiheuttaa ytimen ja elektronin spinien lievän lomittumisen toisiinsa.

Uusimmassa kokeessaan tutkimuspaperin pääkirjoittaja Hester Vennema ja hänen kollegansa lähettivät atomille samanaikaisesti kaksi eri signaalia: toisen elektroniin ja toisen ytimeen. Tämä mahdollisti heille molempien signaalien vaikutuksen tutkimisen erikseen. Yllätyksekseen he havaitsivat, että he pystyivät kääntämään ytimen spinin, vaikka kaksi spiniä ovat suurelta osin erillään toisistaan.

Tulos tuli odottamatta. ”Yksinkertaisen ymmärryksemme mukaan näin ei oikeastaan pitäisi tapahtua”, Otte sanoo. ”Ydinspinin ei pitäisi olla lainkaan herkkä pyyhkäisytunnelointimikroskoopin sähköisille signaaleille.”

Tätä tutkimusta varten tiimi kehitti vakiintunutta mittaustekniikkaa, joka tunnetaan kaksoismagneettisena resonanssina, käytettäväksi yksittäisen atomin kanssa. Tämä mahdollisti heille atomin ytimen ja sitä kiertävän elektronin magnetismin käsittelyn erikseen.

Magneettiresonanssissa spinin suuntaa muutetaan radioaaltoisen signaalin avulla. Kvanttimekaniikan mukaan vain rajallinen määrä tällaisia rotaatioita on mahdollisia. Tämän seurauksena signaalilla on oltava täsmälleen oikea taajuus. ”Voit verrata sitä kitaran kieliin”, Vennema selittää. ”Jokainen mahdollinen spinin rotaatio on kuin kieli, jolla on oma nuottinsa. Sinun on soitettava täsmälleen oikea nuotti, jotta tietty kieli värähtelee. Ydinspinin ”nuotit” ovat sata tai tuhat kertaa matalampia kuin elektronispinin.”

Atomien ydinspin on erityisen kiinnostava sovelluksissa, joissa kvantti-informaatio on tallennettava turvallisesti. Kyky hallita ydinspinejä voisi tarjota uusia mahdollisuuksia kvantti-informaation tallentamiseen ja lukemiseen.

Toistaiseksi tutkimus kuitenkin herättää pääasiassa uusia kysymyksiä ydinspiniä ohjaavasta mekanismista. ”Takaisin sitten suunnittelupöydän ääreen”, Otte sanoo. ”Näin tiede todella toimii. Aina on jotain uutta selvitettävää.”

Aiheesta aiemmin:

Molekyylien ydinspinien optinen hallinta

Atomiytimen spinin hallinta sähköisesti