Pesquisadores da Universidade Tecnológica de Delft, na Holanda, conseguiram observar o núcleo magnético de um átomo alternar entre dois estados em tempo real. Eles monitoraram o ‘spin’ nuclear por meio dos elétrons no mesmo átomo utilizando a agulha de um microscópio de tunelamento eletrônico. Para sua surpresa, o spin permaneceu estável por vários segundos, oferecendo perspectivas para um controle aprimorado do núcleo magnético. A pesquisa, publicada na Nature Communications, representa um avanço na detecção quântica em escala atômica.
Um microscópio de tunelamento eletrônico (STM) consiste em uma agulha atômica que pode ‘sentir’ átomos individuais em uma superfície e formar imagens com resolução atômica. Ou para ser mais preciso, o STM pode apenas sentir os elétrons que cercam o núcleo atômico. Tanto os elétrons quanto o núcleo em um átomo são potencialmente pequenos ímãs. Dependendo do tipo de átomo, ambos carregam uma quantidade chamada ‘spin’, a equivalência quântica do magnetismo. A medição do movimento de um único spin de elétron com um STM foi alcançada pela primeira vez há uma década. O grupo de pesquisa da TU Delft, liderado pelo professor Sander Otte, queria saber: poderiam eles também usar um STM para ler o spin nuclear ao longo do tempo, a outra parte do átomo?
Lendo o spin nuclear
O STM não é sensível aos spins nucleares diretamente, então a equipe teve que usar o elétron para ler o spin nuclear indiretamente. “A ideia geral já havia sido demonstrada alguns anos atrás, utilizando a chamada interação hiparfina entre os spins de elétrons e nucleares,” explica Otte. No entanto, essas medições iniciais eram muito lentas para capturar o movimento do spin nuclear ao longo do tempo.”
Medições rápidas
Os primeiros autores, Evert Stolte e Jinwon Lee, disseram que se empenharam em realizar medições rápidas em um átomo conhecido por ter um spin nuclear. Para sua empolgação, eles observaram o sinal alternando entre dois níveis distintos em tempo real, ao vivo na tela de seus computadores. “Conseguimos mostrar que essa alternância corresponde ao spin nuclear mudando de um estado quântico para outro e voltando novamente,” diz Stolte. Eles determinaram que leva cerca de cinco segundos para o spin mudar, muito mais tempo do que muitos outros sistemas quânticos disponíveis para o STM. Por exemplo, a duração do spin do elétron no mesmo átomo é de apenas cerca de 100 nanosegundos.
Leitura em um único disparo
Uma vez que os pesquisadores conseguiram medir o estado do spin nuclear mais rápido do que ele muda e (na maior parte) sem causar uma mudança pela própria medição, eles alcançaram o conhecido ‘leitura em um único disparo’. Isso abre possibilidades experimentais empolgantes para o controle do spin nuclear. Além disso, o progresso fundamental na leitura e controle de spins nucleares na superfície poderia, a longo prazo, auxiliar em aplicações como simulação quântica ou detecção quântica em escala atômica. Stolte afirma: “O primeiro passo em qualquer nova fronteira experimental é ser capaz de medi-la, e isso é o que conseguimos fazer para spins nucleares em escala atômica.”
