Cronometrar, entre estados quânticos, o “batimento” magnético de um átomo

Num laboratório, investigadores conseguiram medir o “pulso” magnético de um átomo - o vai-e-vem do seu núcleo entre diferentes estados quânticos, como um batimento que alterna de um lado para o outro.

Para isso, recorreram a um microscópio de varrimento por tunelamento (STM), observando eletrões a moverem-se em sincronia com o núcleo de um átomo de titânio-49. A partir desse comportamento, estimaram quanto dura esse batimento magnético do núcleo quando está, tanto quanto possível, isolado.

"These findings," they write in their paper, "give an atomic-scale insight into the nature of nuclear spin relaxation and are relevant for the development of atomically assembled qubit platforms."

Spin é o termo que os físicos usam para descrever uma versão quântica do momento angular. Para além de ser essencial para o comportamento dos ímanes, é também muitas vezes a base da computação quântica como “bit” de informação - o chamado qubit.

Várias partículas subatómicas, num autêntico turbilhão quântico, contribuem para o spin total de um núcleo. Mas o alternar dos spins coletivos, à medida que se organizam numa determinada configuração, é facilmente influenciado pelo ambiente do átomo. Conhecer as características desse estado coletivo antes de o meio envolvente o perturbar pode dar aos engenheiros um novo tipo de qubit com que trabalhar.

O problema é que observar o estado de spin de um núcleo sem o afetar é um verdadeiro dilema. Por isso, uma equipa liderada pelos físicos Evert Stolte e Jinwon Lee, da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Países Baixos, pensou que poderia usar o comportamento dos eletrões do átomo como substituto.

Há alguns anos, investigadores concluíram que seria possível usar a chamada interação hiperfina entre os eletrões e o núcleo como “guia”, sem necessidade de interferir diretamente com a dança magnética do núcleo.

"The general idea had been demonstrated a few years ago, making use of the so-called hyperfine interaction between electron and nuclear spins," explains physicist Sander Otte of the Delft University of Technology. "However, these early measurements were too slow to capture the motion of the nuclear spin over time."

Para contornar isso, os investigadores desenvolveram um esquema de medições em pulsos: em vez de uma medição contínua, o microscópio de varrimento por tunelamento mede um átomo com spin nuclear conhecido em pulsos curtos, com uma pausa entre eles.

Para a experiência, escolheram um isótopo estável e natural do titânio, o titânio-49. Este isótopo é muito usado em investigação de física nuclear porque o seu núcleo tem propriedades interessantes de resposta magnética e um spin forte, que os cientistas conseguem manipular para compreender melhor o comportamento dos núcleos atómicos.

Com este regime em pulsos, Stolte e Lee observaram, em tempo real, as mudanças do átomo no registo que aparecia no ecrã do computador. Determinaram que havia um intervalo de cerca de cinco segundos entre cada comutação - uma medição que conseguiam fazer mais depressa do que o núcleo oscilava.

"We were able to show that this switching corresponds to the nuclear spin flipping from one quantum state to another, and back again," Stolte says. "The first step in any new experimental frontier is being able to measure it, and that is what we were able to do for nuclear spins at the atomic scale."

A investigação foi publicada na Nature Communications.