Cronometrado o “batimento” magnético do núcleo de um átomo

O vaivém do “coração” magnético de um átomo - a alternância entre estados quânticos - foi finalmente cronometrado em ambiente laboratorial.

Para o conseguir, físicos recorreram a um microscópio de varrimento por tunelamento para acompanhar o comportamento de eletrões que se movem em sintonia com o núcleo de um átomo de titânio-49, o que lhes permitiu estimar quanto dura, em isolamento, esse “batimento” magnético do núcleo.

Segundo escrevem no artigo, estes resultados “oferecem 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”.

Microscópio de varrimento por tunelamento e titânio-49: estados quânticos e relaxação do spin nuclear

O isótopo escolhido para a experiência foi o titânio-49, estável e presente na natureza. É uma opção frequente na investigação em física nuclear porque o seu núcleo exibe propriedades magnéticas reactivas particularmente interessantes e um spin pronunciado, passível de ser manipulado para esclarecer como se comportam os núcleos atómicos.

Num esquema de medição adequado, a leitura do microscópio torna possível “ver” quando o sistema alterna entre configurações, transformando um fenómeno nuclear num sinal observável através do comportamento electrónico do próprio átomo.

O que é o spin e porque pode servir de qubit

Em física, spin é o termo usado para descrever uma versão quântica do momento angular. Para além de estar no centro do comportamento dos ímanes, o spin é também frequentemente aproveitado na computação quântica como unidade de informação - um qubit.

No interior de um núcleo, vários tipos de partículas subatómicas contribuem para o spin total. Contudo, o “flip-flop” (a alternância) do spin colectivo à medida que adopta determinada configuração pode ser facilmente influenciado pelo que rodeia o átomo. Se os engenheiros conseguirem conhecer bem as características desse estado colectivo antes de o ambiente o perturbar, poderão ganhar um novo tipo de qubit para explorar.

O dilema: medir sem interferir

Há, no entanto, um obstáculo óbvio: observar o estado de spin nuclear sem o afectar é um verdadeiro dilema experimental. Para contornar este problema, uma equipa liderada pelos físicos Evert Stolte e Jinwon Lee, da Universidade de Tecnologia de Delft, considerou que o comportamento dos electrões poderia servir como substituto informativo do que se passa no núcleo.

A chave: a interação hiperfina

A abordagem assenta na interação hiperfina entre os spins dos electrões e o spin do núcleo - uma ligação que pode funcionar como “ponte” de leitura, evitando interferir directamente com a dança magnética nuclear.

“O conceito geral já tinha sido demonstrado há alguns anos, recorrendo à chamada interação hiperfina entre spins electrónicos e nucleares”, explica o físico Sander Otte, também da Universidade de Tecnologia de Delft. “No entanto, essas medições iniciais eram demasiado lentas para captarem o movimento do spin nuclear ao longo do tempo.”

Medição pulsada: seguir o movimento ao longo do tempo

Para ultrapassar a limitação de velocidade, os investigadores criaram um esquema de medição pulsada: em vez de uma observação contínua, o microscópio de varrimento por tunelamento mede o átomo em pulsos curtos, separados por um intervalo de pausa.

Este tipo de estratégia ajuda a recolher informação temporal do sistema sem o sujeitar ao mesmo padrão de perturbação constante de uma medição ininterrupta, permitindo acompanhar a evolução do estado com maior eficácia.

O resultado: comutações a cada cinco segundos entre estados quânticos

Com este regime pulsado, Stolte e Lee conseguiram observar a comutação do átomo em tempo real no ecrã do computador. A análise indicou um intervalo de aproximadamente cinco segundos entre cada mudança - suficientemente rápido para medir o fenómeno antes de a oscilação nuclear “passar” ao longo do tempo sem ser registada.

“Conseguimos demonstrar que esta comutação corresponde ao spin nuclear a inverter de um estado quântico para outro, e depois a regressar”, afirma Stolte. “O primeiro passo em qualquer nova fronteira experimental é conseguir medi-la, e foi isso que conseguimos fazer para spins nucleares à escala atómica.”

Esta capacidade de cronometrar a relaxação do spin nuclear é particularmente relevante porque os spins nucleares, em muitas arquitecturas, podem oferecer uma via promissora para qubits mais estáveis - desde que seja possível ler e caracterizar o seu estado com precisão, sem destruir a informação no processo.

A seguir, abordagens deste género poderão ajudar a mapear como diferentes ambientes e configurações atómicas influenciam os tempos de relaxação, o que é essencial para desenhar e optimizar plataformas de qubits montadas atomicamente baseadas em átomos individuais.

O estudo foi publicado na revista Comunicações da Natureza.