Фізика
Фізика

Фізики впіймали два окремих атоми у решітці за зміною спіна

Два гідрогенізованих атоми титану вдалося помітити за обміном інформацією окремо від інших атомів у решітці. Через скануючий тунельний мікроскоп фізикам вдалося «перевернути» спін атома, не порушуючи їхній зв’язок, та поспостерігати за еволюцією атомної пари локально та у наносекундному масштабі. Також вони змогли покерувати цим процесом і у майбутньому планують використати це для дослідження спінових хвиль, спінтронних додатків і квантових симуляторів, повідомляється у Science.

Використаний вченими низькотемпературний скануючий тунельний мікроскоп, призначений для роботи за температури до 300 мікрокельвінів / Unisoku STM

Використаний вченими низькотемпературний скануючий тунельний мікроскоп, призначений для роботи за температури до 300 мікрокельвінів / Unisoku STM

Навіщо фізики «ловили» всього два атоми?

Прогрес в експериментальній фізиці вже дає змогу нам ізолювати окремі мікроскопічні частинки, маніпулювати їхніми внутрішніми квантовими станами, а також виявляти їх з майже ідеальною точністю. Але більшість експериментів все ж обмежується складністю деяких взаємодій. Так обчислювальна потужність, необхідна навіть для опису квантової системи, експоненціально масштабується з числом її складових, а тому класичним комп'ютерам з більшістю завдань просто не впоратися. Втім, якби в нашому розпорядженні була система, яка також складається з частинок зі спіном 1/2, якою ми могли б маніпулювати за своїм бажанням, тоді можна було б спроєктувати взаємодію між цими частинками і так передбачати значення будь-яких фізичних величин, просто виконавши відповідні вимірювання в нашій системі.

Подібні пристрої називають квантовими симуляторами і які Файнман, наприклад, представляв як «квантову машину, яка може імітувати будь-яку квантову систему, у тому числі фізичний світ». На великих масштабах обмін інформацією між атомами може привести до цікавих явищ, на зразок надплинності або надпровідності. Але для докладного їх вивчення і опису нам необхідно розуміти динаміку пов'язаної квантової системи і окремих її елементів. Тому вчені дуже зацікавлені в можливості перехоплення цього обміну інформацією між атомами, себто «підслуховування» спілкування між атомами, щоб спробувати пояснити подібні явища.

Як можна «підслухати» атоми?

Повне розуміння динаміки пов'язаної квантової системи залежить від здатності відслідковувати у реальному часі ефект локального збудження, умовно реакції атомів один на одного. Загалом скануюча тунельна мікроскопія (СТМ) вже дає змогу спостерігати природну вільну еволюцію пов'язаної системи спінів атомів. Так окремі магнітні атоми можуть бути просторово розміщені та досліджені за допомогою ефекту спін-поляризованого тунелювання і спектроскопії, яка через енергетичні спектри розповість про локальний стан намагніченості атому і його енергетичну конфігурацію. Однак, ці методи достатньо повільні, тобто дають змогу спостерігати динамічні спінові процеси лише побічно.

Тому вчені взялися поєднувати тунельну мікроскопію із з електронно-спіновим резонансом, щоб спостерігати когерентну тимчасову еволюцію окремого атомного спіна. Такі системи вже існують та скануюча тунельна мікроскопія з електронно-спіновим резонансом (ESR-STM) дозволяє досліджувати спінову релаксацію в наносекундному масштабі. Так поодинокий спін виявляється через підвищений шум на ларморовській частоті, коли він бере участь у процесі тунелювання між вістрям мікроскопа і поверхнею. Однак, щоб продемонструвати вільну еволюцію пари заплутаних спинив, початкове збудження має бути достатньо швидким, щоб конкурувати з внутрішньою динамікою системи. Тобто до того, як спін другого атома почне змінювати напрямок через зв’язок із першим (суперпозиція).

Як обігнати час зміни спіну у зв’язаних атомах?

Фізики продемонстрували еволюцію двох пов'язаних атомів зі спіном 1/2 в результаті майже миттєвого процесу розсіювання електронів. Для цього вони об'єднали метод ESR-STM з імпульсними схемами змінного струму — фізики швидко змінили спін одного з двох атомів за допомогою раптового спалаху електричного струму. За нормальних умов, коли ми хотіли б використати пов’язані атоми для зберігання інформації, така зміна стерла би усю інформацію. Однак для експерименту, коли електрон інвертує спін одного атома, змушуючи його вказувати, скажімо, вліво, це схоже радше на «ідеальну» суперпозицію, що дозволяє обмінюватися інформацією між атомами. Вченим важливо, що вони бачать, як обидва спіни заплутуються: своєрідний квантовий стан, в якому атоми поділяють інформацію один про одного.

Що дізналися вчені?

У своєму експерименті вони використали низькотемпературний скануючий тунельний мікроскоп для управління окремими гідрогенізованими атомами титану, на кристалі срібла. Відстань між атомами становить 1,3 нанометра, що «пов’язало» їх із інтенсивністю взаємодії порядку десятків мегагерців. Така сила була необхідна для забезпечення більш повільної динаміки — щоб обмежена імпульсами у 5 наносекунд установка встигла до декогеренції, тобто розпаду суперпозиції атомів (за такої сили вона складає 100 наносекунд). Зміною висоти наконечника (голки) мікроскопа фізики налаштували спіни атомів, а потім імпульсами порушували їх, зчитуючи проєкцію одного із двох спінів з наносекундною роздільною здатністю. Так вони побачили коливання намагніченості спіна під вістрям установки, що вчені приймають за вимушену взаємодію між двома спінами. Це означає, що зафіксоване збудження через тунельне розсіювання електронів є локальним: складається лише з перевороту спіна на атомі під вістрям, незалежно від власних енергетичних станів системи.

Вчені враховували лише процеси за збігу ларморовських частот атомів, тобто свідчення їхньої заплутаності. Оскільки зафіксовані динамічні процеси спираються не на відновлення когерентності, а навпаки на її порушення, результати, за словами вчених, дають змогу розширити застосування методу до когерентного маніпулювання більшими масивами атомів. Можливість здійснювати дуже локальний, майже миттєвий, когерентний переворот спіна всередині розширеної атомної решітки, є важливим будівельним блоком для досягнень в області спінтроніки, а також для досліджень поширення спінових хвиль.

Сфери Блоха, де збудження атомів внаслідок імпульсу зображено червоним кольором, а подальша вільна еволюція спінового стану — синім. Veldman et al. / Science, 2020

Сфери Блоха, де збудження атомів внаслідок імпульсу зображено червоним кольором, а подальша вільна еволюція спінового стану — синім. Veldman et al. / Science, 2020

спінову релаксацію
процес, при якому ядро розсіює надлишок енергії «в решітку» через взаємодію з магнітними полями, які створюються рухомими полярними або зарядженими молекулами.
ларморовській частоті,
частота прецесії, з якою спін атома в магнітному полі спрямований не строго уздовж ліній напруженості поля, а обертається навколо цього напрямку, що залежить від індукції.
гідрогенізованими
тобто тими, до яких додали водень