Pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, conseguiram observar o núcleo magnético de um átomo alternando em tempo real. Eles leram o ‘spin’ nuclear através dos elétrons no mesmo átomo usando uma agulha de um microscópio de tunelamento. Para surpresa deles, o spin se manteve estável por vários segundos, oferecendo possibilidades para um controle aprimorado do núcleo magnético. A pesquisa, publicada na Nature Communications, representa um avanço para a detecção quântica em escala atômica.
Um microscópio de tunelamento (STM) consiste em uma agulha atômica que pode ‘sentir’ átomos individuais em uma superfície e fazer imagens com resolução atômica. Ou, para ser preciso, o STM só pode sentir os elétrons que cercam o núcleo atômico. Tanto os elétrons quanto o núcleo em um átomo são potenciais pequenos ímãs. Dependendo do tipo de átomo, cada um carrega uma quantidade chamada ‘spin’, que é o equivalente quântico do magnetismo. Medir o movimento de um elétron individual com um STM foi realizado 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 hiperfina entre os spins eletrônicos 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 começaram a realizar medições rápidas em um átomo conhecido por possuir um spin nuclear. Para sua empolgação, eles observaram o sinal alternando entre dois níveis distintos em tempo real, ao vivo na tela do computador deles. “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 longo do que muitos outros sistemas quânticos disponíveis para o STM. Por exemplo, o tempo de vida do spin eletrônico no mesmo átomo é de apenas cerca de 100 nanosegundos.
Leitura em única tentativa
Como os pesquisadores puderam medir o estado do spin nuclear mais rápido do que ele muda e (principalmente) sem causar uma mudança pelo próprio processo de medição, eles conseguiram o que se chama de ‘leitura em única tentativa’. Isso abre possibilidades experimentais empolgantes para controlar o spin nuclear. Além disso, o progresso fundamental na leitura e controle dos spins nucleares em superfícies poderia, a longo prazo, ajudar em aplicações como simulação quântica ou detecção quântica em escala atômica. Stolte: “O primeiro passo em qualquer nova fronteira experimental é ser capaz de medi-la, e foi isso que conseguimos fazer para os spins nucleares em escala atômica.”
