O pulso magnético do titânio-49 cronometrado entre estados quânticos

O “coração” magnético de um átomo, ao oscilar para a frente e para trás entre estados quânticos, já foi cronometrado em laboratório.

Para o fazer, físicos recorreram a um microscópio de varrimento por tunelamento, acompanhando eletrões à medida que estes se moviam em sincronia com o núcleo de um átomo de titânio-49. A partir dessa observação, conseguiram estimar quanto dura, em isolamento, o batimento magnético do núcleo.

“Estas conclusões”, escrevem no artigo, “dão uma perspetiva à escala atómica sobre a natureza do relaxamento do spin nuclear e são relevantes para o desenvolvimento de plataformas de qubits montadas átomo a átomo.”

O que significa “spin” no contexto quântico

Em física, spin é o termo usado para descrever uma versão quântica do momento angular. Para além de ser uma propriedade central no comportamento dos ímanes, o spin é também, muitas vezes, a base da computação quântica quando funciona como um “bit” de informação - um qubit.

Num núcleo atómico, inúmeros componentes subatómicos, em constante agitação, contribuem para o spin total. No entanto, o vaivém (flip-flop) do conjunto de spins à medida que adotam uma determinada configuração pode ser facilmente influenciado pelo ambiente em redor do átomo. Saber quais são as características desse estado coletivo de spin antes de o meio envolvente o perturbar poderá dar aos engenheiros um novo tipo de qubit com que trabalhar.

Como observar o spin nuclear sem o alterar

O problema é que observar o estado de spin de um núcleo sem o afetar é, por si só, um dilema. Por isso, uma equipa liderada pelos físicos Evert Stolte e Jinwon Lee, da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Países Baixos, considerou que poderia usar o comportamento dos eletrões do átomo como um indicador indireto.

Há vários anos, investigadores demonstraram que era possível explorar a chamada interação hiperfina entre os eletrões e o respetivo núcleo como guia, evitando interferir diretamente com a “dança” magnética do núcleo.

“A ideia geral tinha sido demonstrada há alguns anos, recorrendo à chamada interação hiperfina entre os spins eletrónico e nuclear”, explica o físico Sander Otte, também da Universidade de Tecnologia de Delft. “No entanto, essas medições iniciais eram demasiado lentas para captar o movimento do spin nuclear ao longo do tempo.”

Titânio-49 e medições por impulsos com microscópio de varrimento por tunelamento

Para ultrapassar essa limitação, a equipa desenvolveu um esquema de medição por impulsos. Em vez de uma medição contínua, o microscópio de varrimento por tunelamento mede um átomo com spin nuclear conhecido em pulsos curtos, intercalados por um intervalo de pausa.

Para a experiência, escolheram um isótopo estável e natural do titânio: o titânio-49. Trata-se de uma opção frequente em investigação de física nuclear porque o seu núcleo tem propriedades interessantes de resposta magnética e um spin forte, que os cientistas conseguem manipular para compreender melhor o comportamento dos núcleos atómicos.

Com este regime pulsado, Stolte e Lee observaram, em tempo real, a comutação do átomo no sinal de leitura apresentado no ecrã do computador. A equipa concluiu que existia um intervalo temporal de cerca de cinco segundos entre cada comutação - um resultado que conseguiram obter mais rapidamente do que a oscilação do núcleo.

“Conseguimos mostrar que esta comutação corresponde ao flip do spin nuclear de um estado quântico para outro, e depois de volta”, 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.”

A investigação foi publicada na Nature Communications.