Microscópio de tunelamento por varredura mede o pulso do spin nuclear do titânio-49 e aponta caminho para qubit

Um pulso magnético medido no nível atômico

O pulso do “coração” magnético de um átomo - o vaivém entre estados quânticos - foi cronometrado em laboratório.

Físicos recorreram a um microscópio de tunelamento por varredura para acompanhar elétrons se movendo em sincronia com o núcleo de um átomo de titânio-49. Com isso, conseguiram estimar por quanto tempo o “batimento” magnético do núcleo se mantém quando observado de forma isolada.

"Essas descobertas", escrevem no artigo, "fornecem uma visão em escala atômica sobre a natureza do relaxamento de spin nuclear e são relevantes para o desenvolvimento de plataformas de qubits montadas átomo por átomo."

Spin, estados quânticos e qubits

Spin é o termo usado por físicos para descrever uma versão quântica do momento angular. Além de ser essencial para o comportamento dos ímãs, ele frequentemente sustenta a computação quântica como um “bit” de informação, o qubit.

No núcleo, inúmeros componentes subatômicos em uma espécie de “tempestade quântica” contribuem para o spin total. Ainda assim, o padrão de “flip-flop” - a alternância coletiva dos spins ao adotarem uma configuração - é facilmente afetado pelo ambiente do átomo. Entender as características desse estado coletivo de spin antes que o entorno interfira pode oferecer aos engenheiros um novo tipo de qubit para explorar.

A interação hiperfina como janela para o núcleo

Há um impasse: observar o estado de spin de um núcleo sem perturbá-lo é um desafio real. Por isso, uma equipe liderada pelos físicos Evert Stolte e Jinwon Lee, da Delft University of Technology, na Holanda, considerou usar o comportamento dos elétrons do átomo como um substituto (um “proxy”) para inferir o que acontece no núcleo.

Alguns anos antes, pesquisadores já haviam mostrado que a chamada interação hiperfina entre elétrons e o núcleo pode servir de guia, sem a necessidade de interferir diretamente na “dança” magnética nuclear.

"A ideia geral havia sido demonstrada alguns anos atrás, fazendo uso da chamada interação hiperfina entre os spins eletrônico e nuclear", explica o físico Sander Otte, da Delft University of Technology. "No entanto, essas medições iniciais eram lentas demais para capturar o movimento do spin nuclear ao longo do tempo."

Medição pulsada com microscópio de tunelamento por varredura

Para contornar essa limitação, o grupo criou um esquema de medição por pulsos: em vez de uma leitura contínua, o microscópio de tunelamento por varredura mede um átomo com spin nuclear conhecido em pulsos curtos, com uma pausa entre eles.

Para o experimento, foi escolhido um isótopo estável e naturalmente encontrado do titânio, o titânio-49. Esse isótopo é bastante usado em pesquisas de física nuclear porque seu núcleo tem propriedades magneticamente reativas interessantes e um spin forte, que os cientistas conseguem manipular para compreender o comportamento de núcleos atômicos.

Com o regime pulsado, Stolte e Lee observaram, em tempo real, a alternância do átomo no indicador exibido na tela do computador. Eles concluíram que havia um intervalo de cerca de cinco segundos entre cada troca - uma medição que conseguiam realizar em um ritmo mais rápido do que a oscilação do núcleo.

"Conseguimos mostrar que essa alternância corresponde ao spin nuclear virando de um estado quântico para outro e, depois, voltando", diz Stolte. "O primeiro passo em qualquer nova fronteira experimental é conseguir medi-la, e foi isso que conseguimos fazer para spins nucleares em escala atômica."

A pesquisa foi publicada na Nature Communications.