مشاهده زنده اسپین هستهای یک اتم منفرد برای اولین بار
عنوان خبر: مشاهده زنده اسپین هستهای یک اتم منفرد برای اولین بار
ژانر/موضوع: فیزیک کوانتومی
تاریخ انتشار خبر: 2 سپتامبر 2025
لینک خبر: phys.org
چکیده:
پژوهشگران دانشگاه TU Delft موفق شدند اسپین هستهای – یعنی جهتگیری مغناطیسی هستهی یک اتم – را با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) همراه با رزونانس اسپین الکترونی (ESR) برای نخستین بار مشاهده کنند. درحالیکه STM معمولاً اسپین الکترون را آشکار میکند، این گروه از برهمکنش hyperfine برای خواندن اسپین هستهی اتم تیتانیوم-۴۹ از طریق الکترون آن بهره بردند. آنها توانستند به خوانش تکشات دست یابند و مشاهده کردند که اسپین هسته بین حالتهای کوانتومی جابهجا میشود، با پایداری چشمگیری که تا ۵ ثانیه ادامه داشت؛ درحالیکه طول عمر اسپین الکترون تنها حدود ۱۰۰ نانوثانیه است. این پایداری طولانی امکان بررسی مکانیزمهای واهلش اسپین هسته (relaxation) و پمپاژ (pumping) را با استفاده از اندازهگیریهای پالسی و محاسبات مدل فراهم کرد. یافتهها گامی مهم به سوی حسگری کوانتومی، شبیهسازی کوانتومی و پلتفرمهای کیوبیتی در مقیاس اتمی محسوب میشود.
شرح کامل خبر:
پژوهشگران دانشگاه TU Delft موفق به دستاوردی مهم در بررسی ویژگیهای کوانتومی در مقیاس اتمی شدند؛ آنها توانستند تغییرات لحظهای اسپین هستهای یک اتم منفرد را مشاهده کنند. این پژوهش که در نشریه Nature Communications منتشر شده، برای نخستین بار خوانش تکشات اسپین هستهای را با استفاده از میکروسکوپ تونلی روبشی (STM) همراه با رزونانس اسپین الکترونی (ESR) نشان میدهد.
اسپینهای هستهای به دلیل داشتن حالتهای مغناطیسی بسیار پایدار و طولانیمدت، که ناشی از جداسازی قوی آنها از محیط اطراف است، در علوم کوانتومی بسیار مورد توجهاند. این پایداری آنها را گزینهای مناسب برای پردازش اطلاعات کوانتومی و حسگری کوانتومی میسازد. با این حال، همین جداسازی موجب دشواری در دسترسی و کنترل آنها میشود و برهمکنش آنها با محیط باید بهدقت تنظیم شود. تاکنون، خوانش تکشات اسپینهای هستهای تنها در سیستمهایی ممکن بود که محیط اتمی بهخوبی شناختهشده یا قابل کنترل نبود.
تیم TU Delft به سرپرستی پروفسور Sander Otte این چالش را با بهرهگیری از برهمکنش هایپرفاین (hyperfine interaction)– یعنی جفتشدگی مغناطیسی میان اسپین الکترون و اسپین هسته در یک اتم – برطرف کرد. اگرچه STM مستقیماً تنها به الکترونها حساس است، پژوهشگران از الکترون بهعنوان واسطه برای خواندن اسپین هستهای یک اتم منفرد تیتانیوم-۴۹ (⁴⁹Ti) جذبشده روی سطح استفاده کردند. با اعمال یک سیگنال ولتاژ تنظیمشده روی اختلاف انرژی یک حالت کوانتومی هسته، آنها مشاهده کردند که جریان تونلزنی میان دو مقدار مجزا جابهجا میشود که متناظر با تغییر اسپین هسته بین حالتها بود. در کمال تعجب، اسپین هستهای تا ۵ ثانیه پایدار باقی ماند، در حالی که طول عمر اسپین الکترون در همان سیستم تنها حدود ۱۰۰ نانوثانیه بود.
این آزمایش نهتنها توانایی آشکارسازی تغییر اسپین هستهای به صورت آنی را نشان داد، بلکه دیدگاه تازهای درباره مکانیزمهای پمپاژ (pumping) و واهلش (relaxation) که دینامیک اسپین هستهای را تحت شرایط STM کنترل میکنند نیز فراهم کرد. تیم تحقیقاتی با استفاده از اندازهگیریهای پالسی و پشتیبانی محاسبات مدلی، بررسی کردند که چگونه تحریک ESR و جریان تونلزنی بر مسیرهای relaxation اسپین تأثیر میگذارد.
منابع:
[1] https://phys.org/news/2025-09-quantum-real-magnet-heart-atom.html
[2] https://www.nature.com/articles/s41467-025-63232-5
دیدگاه خود را درباره این خبر با ما به اشتراک بگذارید.
