پژوهشگران فیزیک در آزمایشگاهی توانستند تپش «قلب مغناطیسی» یک اتم را هنگامی که بین حالتهای کوانتومی جابهجا میشود، در زمان واقعی (real time) ثبت و زمانبندی کنند. منظور از این «تپش» تغییر جهت یا وارونگی اسپین هستهای است؛ اسپین، مفهومی کوانتومی معادل تکانه زاویهای است که در رفتار آهنرباها و در فناوریهای کوانتومی مانند کیوبیتها نقش بنیادی دارد.
این تیم تحقیقاتی با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی (scanning tunneling microscope, STM) الکترونهایی را رصد کردند که با هستهٔ اتم تیتانیوم-49 همگام (synchronized) حرکت میکردند. با مشاهدهٔ رفتار الکترونها بهعنوان نمایندهای از وضعیت هسته، آنها توانستند طول دورهٔ نوسان مغناطیسی هسته را در حالتای جداشده و ایزوله تخمین بزنند. این نوع اندازهگیری، دیدی در مقیاس اتمی از سازوکاری به نام آرامش اسپینی هستهای (nuclear spin relaxation) فراهم میآورد و برای توسعهٔ پلتفرمهای کیوبیتی مونتاژشده اتمی کاربردی است.
برهمکنش فوقریز و چالشی در مشاهدهٔ بیاثر
یکی از مشکلات اساسی در پژوهشهای هستهای این است که خودِ مشاهده میتواند وضعیت هسته را تغییر دهد. پژوهشگران به این دلیل از الکترونهای اطراف اتم بهعنوان «نماینده» یا پروکسی وضعیت هسته استفاده کردند؛ ایدهای که مبتنی بر برهمکنش فوقریز (hyperfine interaction) بین اسپین الکترون و اسپین هسته است. چند سال پیش نشان داده شده بود که این برهمکنش میتواند اطلاعاتی دربارهٔ حالت هسته بدهد بدون اینکه مستقیم وارد رقص مغناطیسی هسته شد؛ اما اندازهگیریهای اولیه کند بودند و توان ثبت حرکت زمانی اسپین هسته را نداشتند.
برای غلبه بر این محدودیت، تیمی به سرپرستی اِورت استولت و جینوون لی از دانشگاه صنعتی دلفت در هلند، روش اندازهگیری پالسی (pulsed measurement scheme) را توسعه دادند: به جای اندازهگیری پیوسته و طولانی، STM در بازههای زمانی کوتاه تپش میدهد و بین هر پالس وقفهای ایجاد میکند. این رویکرد امکان ثبت تغییرات سریعتر از فرکانس نوسان هسته را فراهم آورد.
جزئیات آزمایش: چرا تیتانیوم-49؟
محققان ایزوتوپ پایدار تیتانیوم-49 را انتخاب کردند؛ ایزوتوپی که بهخاطر خواص مغناطیسی جالب هسته و داشتن اسپین قوی، در پژوهشهای هستهای محبوب است. در رژیم پالسی، استولت و لی در زمان واقعی سوئیچ شدنِ اتم را روی صفحهٔ مانیتور مشاهده کردند و توانستند فواصل زمانی میان هر جابهجایی را اندازهگیری کنند.
نتایج این پژوهش که در مجله نیچر هم منتشر شده، نشان داد که تقریباً هر سوئیچ هستهای در بازهای نزدیک به پنج ثانیه رخ میدهد — زمانی که تیم قادر بود سریعتر از نوسان هسته آن را ثبت کند. به بیان سادهتر: آنها موفق شدند آرایش اسپین هسته را قبل از اینکه محیط پیرامونی آن را دگرگون کند، ببینند. این سوئیچها مطابق با وارونگی اسپین هسته از یک حالت کوانتومی به حالت دیگر و بازگشت بودند.
کشفها و پیامدها برای محاسبات کوانتومی
این اندازهگیریها چندین پیامد مهم دارند: نخست، ارائهٔ تصویری مستقیم از دینامیک آرامش اسپینی در مقیاس اتمی؛ دوم، نشان دادن امکان استفاده از اسپین هستهای بهعنوان یک نوع کیوبیت پایدارتر، چون هستهها معمولاً کمتر از الکترونها در معرض برهمکنش با محیط قرار میگیرند؛ و سوم، فراهم آوردن روشهای نوینی برای طراحی پلتفرمهای کیوبیتی مونتاژشده اتمی که میتوانند در آینده به مؤلفههایی برای محاسبات و حسگرهای کوانتومی تبدیل شوند.
دیدگاه محققان
ساندر اوته از دانشگاه صنعتی دلفت در توضیح اهمیت کار میگوید که ایدهٔ عمومی سالها پیش نشان داده شده بود اما «اندازهگیریهای اولیه کند بودند و قادر به ثبت حرکت زمانی اسپین هسته نبودند.» استولت میگوید: «اولین گام در هر مرز آزمایشیِ جدید، توانایی اندازهگیری آن است؛ و ما این توانایی را برای اسپینهای هستهای در مقیاس اتمی فراهم کردیم.»
تکنولوژیهای مرتبط و افقهای آینده
این پژوهش بر پیوند میان ابزارهای دقیق آزمایشگاهی مانند میکروسکوپ تونلی روبشی و مفاهیم نظری برهمکنش فوقریز تکیه دارد. پیشرفت در الکترونیک پالسی، پایدارسازی محیطی (environmental shielding)، و الگوریتمهای خوانش اسپینی میتواند امکان تبدیل این مشاهدات به ساختارهای عملیتر در حوزهٔ محاسبات کوانتومی را فراهم کند. علاوه بر این، ترکیب دادههای زمانی از اسپین هستهای با روشهای تصویربرداری اتمی-مقیاس میتواند درک ما از ساختار و دگرگونیهای هستهای را عمیقتر سازد.
نتیجه گیری
پیمایش تپش مغناطیسی یک اتم در زمان واقعی نشان میدهد که با تکنیکهای اندازهگیری پالسی و استفاده از برهمکنش فوقریز بین الکترون و هسته میتوان به بینشی دقیق و زمانی از آرامش اسپینی هستهای دست یافت. این دستاورد نهتنها درک پایهای ما از دینامیک هسته را گسترش میدهد، بلکه کاربردهای روشنی برای توسعهٔ کیوبیتهای اتمی و حسگرهای کوانتومی در آینده نزدیک ارائه میکند.