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

Num laboratório, conseguiu-se medir o vai-e-vem do “coração” magnético de um átomo, à escala quântica, enquanto alternava entre estados diferentes.

Usando um microscópio de tunelamento de varrimento, físicos observaram os eletrões a moverem-se em sintonia com o núcleo de um átomo de titânio-49, o que lhes permitiu estimar a duração, em isolamento, desse batimento magnético do núcleo.

"Estas descobertas", escrevem no artigo, "dão uma visão à escala atómica sobre a natureza da relaxação do spin nuclear e são relevantes para o desenvolvimento de plataformas de qubits montadas atomicamente."

Spin é o termo que os físicos usam para descrever uma versão quântica do momento angular. Além de ser fundamental para o comportamento dos ímanes, é muitas vezes a base da computação quântica como “bit” de informação, conhecido por qubit.

Várias partículas subatómicas em ebulição numa tempestade quântica contribuem para o spin global de um núcleo, mas o vai-e-vem dos spins coletivos, à medida que adotam uma configuração, é facilmente influenciado pelo que o rodeia. Conhecer as características desse estado coletivo de spin antes de o ambiente o alterar pode dar aos engenheiros um novo tipo de qubit com que trabalhar.

Observar o estado de spin de um núcleo sem o perturbar, porém, coloca um verdadeiro dilema. Por isso, uma equipa liderada pelos físicos Evert Stolte e Jinwon Lee, da Universidade Técnica de Delft, nos Países Baixos, pensou que poderia usar o comportamento dos eletrões num átomo como proxy.

Há vários anos, investigadores concluíram que podiam recorrer à chamada interação hiperfina entre eletrões e núcleo como guia, sem terem de interferir diretamente com a dança magnética.

"A ideia geral tinha sido demonstrada há alguns anos, recorrendo à chamada interação hiperfina entre os spins eletrónico e nuclear", explica o físico Sander Otte, da Universidade Técnica de Delft. "No entanto, estas primeiras medições eram demasiado lentas para captar o movimento do spin nuclear ao longo do tempo."

Para contornar essa limitação, os investigadores desenvolveram um esquema de medição por impulsos, no qual um microscópio de tunelamento de varrimento mede um átomo com um spin nuclear conhecido em pulsos curtos, com pausas entre eles, em vez de uma medição contínua.

Para a experiência, escolheram um isótopo estável e naturalmente ocorrente de titânio, o titânio-49. Este isótopo é uma escolha popular na investigação em física nuclear porque o seu núcleo tem propriedades magnéticas interessantes e um spin forte, que os cientistas podem manipular para perceber o comportamento dos núcleos atómicos.

Com este regime por impulsos, Stolte e Lee observaram a comutação do átomo em tempo real na leitura mostrada no ecrã do computador. Determinaram que existia um intervalo de cerca de cinco segundos entre cada mudança - uma medição que conseguiam fazer mais depressa do que o núcleo oscilava.

"Conseguimos mostrar que esta comutação corresponde ao spin nuclear a saltar de um estado quântico para outro, e depois a voltar", diz Stolte. "O primeiro passo em qualquer nova fronteira experimental é sermos capazes de a medir, e foi isso que conseguimos fazer para spins nucleares à escala atómica."

A investigação foi publicada na Nature Communications.