Манипулирование атомами: новый прорыв в квантовой физике

Квантовая физика, изучающая тайны частиц в атомном масштабе, только что совершила впечатляющий прорыв. Исследователям из Делфтского технологического университета в Нидерландах удалось инициировать контролируемое движение в сердце атома, что может изменить способ хранения и манипулирования квантовой информацией.

Что такое квантовая физика и почему она важна?

Квантовая физика — это отрасль науки, изучающая поведение субатомных частиц, таких как атомы и электроны, в чрезвычайно малых масштабах. В отличие от законов классической физики, которые управляют повседневными объектами, квантовые правила зачастую не поддаются интуитивному объяснению. Они описывают, как эти частицы могут вести себя непредсказуемо и как они взаимодействуют друг с другом таким образом, что это не соответствует нашему привычному пониманию реальности.

Важность квантовой физики заключается в ее потенциально революционном применении. Например, она лежит в основе таких технологий, как лазеры и транзисторы, которые изменили наш современный мир. Однако наиболее перспективными являются такие развивающиеся технологии, как квантовые вычисления и квантовые системы связи, которые могут обеспечить беспрецедентную вычислительную мощность и уровень безопасности.

Несмотря на эти перспективы, квантовая физика остается сложной. В частности, исследователи до сих пор пытаются понять, как частицы взаимодействуют в атомном масштабе. Именно в этом контексте исследователи из Делфта совершили удивительное достижение: управляемое манипулирование атомом.

Что такое атом и как исследователи им манипулируют?

Атом — это фундаментальная единица материи, состоящая из центрального ядра, состоящего из протонов и нейтронов, вокруг которого притягиваются электроны. Эти электроны движутся в определенных слоях вокруг ядра, и их расположение определяет химические и физические свойства атома.

В данном исследовании ученые работали над конкретным атомом титана: Ti-47. В нем на один нейтрон меньше, чем в обычном титане (Ti-48), что делает его ядро слегка магнитным. Это свойство, известное как спин, можно сравнить с маленьким внутренним компасом, способным указывать в разных направлениях.

Цель исследователей заключалась в том, чтобы манипулировать спином ядра, воздействуя на спин одного из внешних электронов атома. Поскольку спин ядра и спин электрона слабо связаны между собой, идея заключалась в том, чтобы сначала управлять электроном, а затем воздействовать на ядро.

Для этого они использовали сканирующий туннельный микроскоп — технологию, позволяющую исследовать атомы и манипулировать ими с предельной точностью. Благодаря этому микроскопу они смогли взаимодействовать с внешним электроном Ti-47. Подавая тщательно выверенные импульсы напряжения, они нарушали состояние равновесия электрона и запускали цепную реакцию. Этот процесс позволил электрону передать свое влияние на ядро, что является деликатной операцией из-за очень слабого взаимодействия между их спинами.

Исследователи добились этой манипуляции с помощью очень слабого регулируемого магнитного поля. Они заметили, что после подачи импульса напряжения спин электрона переместился, заставив спины электрона и ядра колебаться вместе в течение доли микросекунды. Это явление соответствует предсказаниям Эрвина Шрёдингера и подтверждает, что квантовые законы действуют с большой точностью даже в атомном масштабе.

Почему это важно?

Это открытие имеет глубокие последствия для исследований в области квантовой физики. Во-первых, оно демонстрирует возможность управления и считывания квантовой информации в чрезвычайно малых масштабах с помощью спина атомного ядра. Ядро меньше подвержено внешним возмущениям, чем электроны, что делает его идеальным кандидатом для хранения более стабильной квантовой информации.

Потенциальные возможности применения огромны. Например, этот прорыв может привести к разработке новых технологий квантовых вычислений, где кубиты (единицы квантовой информации) могут храниться в атомных ядрах, обеспечивая большую стабильность и увеличивая возможности обработки информации. Кроме того, это исследование может повлиять на квантовую термодинамику — зарождающуюся область, изучающую законы термодинамики в квантовом масштабе.

Одним словом, это исследование — серьезное достижение, которое может изменить наш подход к квантовой физике.