Des chercheurs de l'Université de technologie de Delft aux Pays-Bas ont pu voir le noyau magnétique d'un atome bascule en temps réel. Ils ont lu le « spin » nucléaire via les électrons dans le même atome à travers l'aiguille d'un microscope à tunneling à balayage.
À leur grande surprise, le spin est resté stable pendant plusieurs secondes, offrant des perspectives de contrôle amélioré du noyau magnétique. La recherche, publiée dans Communications de la natureest un pas en avant pour la détection quantique à l'échelle atomique.
Un microscope à tunneling à balayage (STM) est constitué d'une aiguille à pointes atomiquement qui peut « ressentir » des atomes uniques sur une surface et faire des images avec une résolution atomique. Ou pour être précis, STM ne peut sentir que les électrons qui entourent le noyau atomique. Les électrons et le noyau dans un atome sont des aimants potentiellement petits.
Selon le type d'atome, ils portent chacun une quantité appelée «spin», l'équivalent quantique-mécanique du magnétisme. La mesure du mouvement d'un spin d'électrons individuel avec un STM a été réalisée pour la première fois il y a une décennie. Le groupe de recherche TU Delft dirigé par le professeur Sander Otte voulait savoir: pourraient-ils également utiliser un STM pour lire le rotation nucléaire dans le temps, l'autre partie de l'atome?
Lire le spin nucléaire
Le STM n'est pas sensible aux tours nucléaires directement, donc l'équipe a dû utiliser l'électron pour lire indirectement le spin nucléaire. « L'idée générale avait été démontrée il y a quelques années, utilisant la soi-disant interaction hyperfine entre l'électron et les spins nucléaires », explique Otte. « Cependant, ces mesures précoces étaient trop lentes pour capturer le mouvement du rotation nucléaire au fil du temps. »
Les premiers auteurs Evert Stolte et Jinwon Lee ont décidé d'effectuer des mesures rapides sur un atome connu pour porter une rotation nucléaire. À leur excitation, ils ont observé le signal de commutation entre deux niveaux distincts en temps réel, en direct sur l'écran de leur ordinateur.
« Nous avons pu montrer que cette commutation correspond à la rotation nucléaire qui bascule d'un état quantique à un autre, et vice-versa », explique Stolte.
Ils ont déterminé qu'il faut environ cinq secondes avant le changement de spin, beaucoup plus longtemps que de nombreux autres systèmes quantiques disponibles pour le STM. Par exemple, la durée de vie de l'électron tournait dans le même atome n'est que d'environ 100 nanosecondes.
Lecture à un seul coup
Étant donné que les chercheurs pouvaient mesurer l'état de spin nucléaire plus rapidement qu'il ne se retourne et (surtout) sans provoquer un retournement par la mesure elle-même, ils ont atteint la soi-disant « lecture à un coup unique ». Cela ouvre des possibilités expérimentales passionnantes pour contrôler la rotation nucléaire. De plus, les progrès fondamentaux dans la lecture et le contrôle d'une touche nucléaire sur la surface pourraient, à long terme, aider à des applications telles que la simulation quantique ou la détection quantique à l'échelle atomique.
Stolte dit: « La première étape de toute nouvelle frontière expérimentale est de pouvoir la mesurer, et c'est ce que nous avons pu faire pour les spins nucléaires à l'échelle atomique. »
