Microscópio de varredura por tunelamento cronometra o spin nuclear do titânio-49 para qubits

O pulso do “coração” magnético de um átomo - quando ele alterna, como um relógio, entre estados quânticos - foi cronometrado em laboratório.

Físicos recorreram a um microscópio de varredura por tunelamento para acompanhar elétrons enquanto eles se moviam em sincronia com o núcleo de um átomo de titânio-49. Com isso, foi possível estimar quanto dura, em isolamento, a batida magnética do núcleo.

“Essas descobertas”, escrevem no artigo, “oferecem uma visão em escala atómica sobre a natureza da relaxação do spin nuclear e são relevantes para o desenvolvimento de plataformas de qubits montadas átomo a átomo”.

Spin, núcleo e qubits

Spin é o termo que a física usa para descrever uma versão quântica do momento angular. Além de ser essencial para o comportamento dos ímanes, ele frequentemente serve como base da computação quântica na forma de um “bit” de informação - o qubit.

No interior do núcleo, várias partículas subatómicas, num verdadeiro “turbilhão” quântico, contribuem para o spin total. Ainda assim, a mudança de configuração - o vai e vem do spin coletivo enquanto os spins se reorganizam - é facilmente afetada pelo ambiente em volta do átomo. Se engenheiros conseguirem conhecer as características desse estado coletivo antes de o meio externo o perturbar, podem ganhar um novo tipo de qubit para explorar.

O desafio de observar o spin nuclear sem interferir

Acompanhar o estado de spin de um núcleo sem alterá-lo, porém, é um dilema real. Por isso, uma equipa liderada pelos físicos Evert Stolte e Jinwon Lee, da Delft University of Technology, nos Países Baixos, considerou usar o comportamento dos elétrons do átomo como um indicador indireto.

Alguns anos atrás, pesquisadores mostraram que a chamada interação hiperfina entre elétrons e o núcleo pode servir como guia - permitindo inferir a “dança” magnética do núcleo sem precisar interferir diretamente nela.

“O conceito geral tinha sido demonstrado alguns anos atrás, fazendo uso da chamada interação hiperfina entre spins eletrónicos e nucleares”, explica o físico Sander Otte, também 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 varredura por tunelamento

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

Por que o titânio-49

O alvo escolhido foi um isótopo estável e natural do titânio, chamado titânio-49. Ele é uma opção comum em pesquisa de física nuclear porque seu núcleo apresenta propriedades magnéticas reativas interessantes e um spin forte, que cientistas conseguem manipular para compreender melhor o comportamento de núcleos atómicos.

Trocas em tempo real e um intervalo de cerca de cinco segundos

Com o regime pulsado, Stolte e Lee viram, em tempo real, as trocas de estado do átomo no sinal exibido no ecrã do computador. Eles concluíram que havia um intervalo de aproximadamente cinco segundos entre cada troca - uma leitura que conseguiram realizar mais rapidamente do que a oscilação do núcleo.

“Conseguimos mostrar que essa troca corresponde ao spin nuclear virando de um estado quântico para outro e, depois, voltando novamente”, 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 atómica.”

O estudo foi publicado na Nature Communications.