Se ha cronometrado en un laboratorio el pulso del corazón magnético de un átomo mientras oscila entre estados cuánticos. Los físicos utilizaron un microscopio de efecto túnel para observar los electrones mientras se movían en sincronía con el núcleo de un átomo de titanio-49, lo que les permitió estimar la duración del latido magnético del núcleo de forma aislada.
“Estos hallazgos”, escriben en su artículo, “ofrecen una visión a escala atómica de la naturaleza de la relajación del espín nuclear y son relevantes para el desarrollo de plataformas de qubit ensambladas atómicamente”.
El espín es un término que los físicos usan para describir una versión cuántica del momento angular. No solo es fundamental para el comportamiento de los imanes, sino que a menudo constituye la base de la computación cuántica como un “bit” de información, conocido como cúbit.
Numerosas partículas subatómicas que vibran en una tormenta cuántica contribuyen al giro general del núcleo, aunque la fluctuación de los espines colectivos al adoptar una configuración se ve fácilmente influenciada por el entorno atómico. Conocer las características de este estado de giro colectivo antes de que el entorno lo altere podría ofrecer a los ingenieros un nuevo tipo de cúbit con el que experimentar.
Sin embargo, observar el estado de espín de un núcleo sin afectarlo plantea un verdadero dilema. Por ello, un equipo dirigido por los físicos Evert Stolte y Jinwon Lee, de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), pensó que podrían utilizar el comportamiento de los electrones en un átomo como indicador. Hace varios años, los investigadores determinaron que podían utilizar lo que se conoce como la interacción hiperfina entre los electrones y su núcleo como guía, sin necesidad de interferir directamente con su danza magnética.
“La idea general se demostró hace unos años, utilizando la llamada interacción hiperfina entre los espines del electrón y el núcleo”, explica el físico Sander Otte, de la Universidad Tecnológica de Delft. “Sin embargo, estas primeras mediciones fueron demasiado lentas para capturar el movimiento del espín nuclear a lo largo del tiempo”.
Para compensar esto, los investigadores desarrollaron un esquema de medición pulsada, mediante el cual un microscopio de efecto túnel mide un átomo con un espín nuclear conocido en pulsos cortos con una pausa entre ellos, en lugar de una medición continua. Para su experimento, eligieron un isótopo estable y natural del titanio, llamado titanio-49. Este isótopo es una opción popular para la investigación en física nuclear debido a que su núcleo posee interesantes propiedades magneto-reactivas y un fuerte espín que los científicos pueden manipular para comprender el comportamiento de los núcleos atómicos.
Bajo su régimen pulsado, Stolte y Lee observaron la conmutación del átomo en tiempo real en la lectura mostrada en la pantalla de su computadora. Determinaron que había un intervalo de tiempo de aproximadamente cinco segundos entre cada conmutación, una medición que pudieron realizar más rápido que la oscilación del núcleo.
“Logramos demostrar que este cambio corresponde a la inversión del espín nuclear de un estado cuántico a otro, y viceversa”, afirma Stolte. “El primer paso en cualquier nueva frontera experimental es poder medirlo, y eso es lo que logramos con los espines nucleares a escala atómica”.
La investigación ha sido publicada en Nature Communications.
Fuente: Science Alert.
