9 月 7 日消息，荷蘭代爾夫特理工大學(xué)研究團(tuán)隊首次成功在實(shí)時條件下觀測到單個原子核的磁性自旋在不同狀態(tài)之間的翻轉(zhuǎn)，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)原子尺度量子探測的重要進(jìn)展。

研究團(tuán)隊利用掃描隧道顯微鏡（STM）針尖檢測單個原子內(nèi)電子狀態(tài)變化，間接測量到原子核自旋（nuclear spin）的量子態(tài)翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

STM 配備一根原子級銳利探針，能夠探測單個原子并成像到原子級細(xì)節(jié)。雖然 STM 不能直接感知原子核自旋，但研究人員借助核自旋與電子自旋之間的超精細(xì)相互作用，間接讀取到核自旋的狀態(tài)。

大約十年前，科學(xué)界首次利用 STM 成功跟蹤單電子的自旋。此次，代爾夫特團(tuán)隊在此基礎(chǔ)上提出：是否可以用同樣的方法在時間維度上觀測核自旋。

研究團(tuán)隊在鈦酸鍶基底上選取具核自旋特性的鈦原子作為觀測對象。STM 針尖通過感知原子外圍電子狀態(tài)，捕捉到核自旋在兩種量子態(tài)間的轉(zhuǎn)換信號。

論文第一作者艾弗特?斯托爾特描述稱：“信號在計算機(jī)屏幕上實(shí)時切換，對應(yīng)核自旋在量子態(tài)間的往復(fù)翻轉(zhuǎn)。”測量數(shù)據(jù)顯示核自旋狀態(tài)平均維持約 5 秒，而同一原子的電子自旋壽命僅 100 納秒。

“這標(biāo)志著首次在原子尺度實(shí)現(xiàn)核自旋的單次讀出（single-shot readout），”項目負(fù)責(zé)人桑德?奧特教授指出。該方法利用電子自旋與核自旋的超精細(xì)相互作用（hyperfine interaction），克服了 STM 無法直接探測核自旋的技術(shù)限制。

斯托爾特強(qiáng)調(diào)：“任何新實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域的第一步是能夠?qū)ζ溥M(jìn)行測量，而我們已經(jīng)在原子尺度上實(shí)現(xiàn)了核自旋的測量。”