Quantumonderzoekers zien realtime switch van het magneetje in een enkele atoomkern

Onderzoekers van de TU Delft is het gelukt om de magnetische kern van een atoom in real time heen en weer te zien switchen. Ze lazen de nucleaire ‘spin’ uit via de elektronen in hetzelfde atoom met de naald van een tunnelmicroscoop.

Tot hun verbazing bleef de spin enkele seconden stabiel, wat perspectief biedt voor verbeterde controle over de magnetische kern. Het onderzoek, dat is gepubliceerd in Nature Communications, is een stap voorwaarts voor quantumsensoren op basis van enkele atomen.

Een scanning tunneling-microscoop (STM) bestaat uit een atoomscherpe naald die afzonderlijke atomen op een oppervlak kan ‘aftasten’ en beelden kan maken met atomaire resolutie. Strikt genomen voelt de STM alleen de elektronen die de atoomkern omringen. Zowel de elektronen als de kern in een atoom zijn in principe kleine magneetjes. Afhankelijk van het type atoom dragen ze elk een grootheid die ‘spin’ wordt genoemd, het kwantummechanische equivalent van magnetisme. Het meten van de beweging van een individuele elektronspin met een STM werd ruim tien jaar geleden voor het eerst bereikt. De Delftse onderzoeksgroep onder leiding van professor Sander Otte vroeg zich af: zou je met een STM ook de kernspin in de tijd kunnen uitlezen, het andere deel van het atoom?

Uitlezen van de kernspin

De STM is niet direct gevoelig voor kernspins, dus moest het team de elektronspin gebruiken om de kernspin indirect uit te lezen. “Het algemene idee was enkele jaren geleden al aangetoond, gebruikmakend van de zogenoemde hyperfijne interactie tussen elektron- en kernspin”, legt Otte uit. “Maar die vroege metingen waren te traag om de beweging van de kernspin in de tijd vast te leggen.”

Snelle metingen

Eerste-auteurs Evert Stolte en Jinwon Lee voerden snelle metingen uit op een atoom waarvan bekend is dat het een kernspin draagt. Tot hun enthousiasme zagen ze het signaal in real time heen en weer schakelen tussen twee niveaus, live op hun computerscherm. “We konden laten zien dat dit schakelen overeenkomt met de kernspin die van de ene kwantumtoestand naar de andere springt, en weer terug”, zegt Stolte. Ze stelden vast dat dit gemiddeld zo’n vijf seconden duurt, veel langer dan veel andere kwantumsystemen die met een STM te onderzoeken zijn. Ter vergelijking: de levensduur van de elektronspin in hetzelfde atoom is slechts ongeveer 100 nanoseconden.

Single-shot uitlezing

Omdat de onderzoekers de toestand van de kernspin sneller konden meten dan deze omschakelt – en meestal zonder dat de meting zelf het omschakelen veroorzaakt – bereikten ze de zogenoemde ‘single-shot readout’. Dit opent spannende experimentele mogelijkheden om de kernspin te controleren. Bovendien kan fundamentele vooruitgang in het uitlezen en sturen van kernspins aan oppervlakken op de lange termijn bijdragen aan toepassingen zoals kwantumsimulatie of kwantumsensing op atomaire schaal. Stolte: “De eerste stap bij elke nieuwe experimentele grens is dat je in staat bent te meten. En dat is precies wat wij hebben gedaan voor kernspins op atomaire schaal.”