The Signal
Ricercatori di Delft distinguono le transizioni dello spin nucleare in un singolo atomo di titanio
Un gruppo di ricerca guidato da Delft ha usato la microscopia a effetto tunnel e la doppia risonanza elettronica e nucleare per distinguere le transizioni nel nucleo di un singolo atomo di titanio-47. Misure effettuate a diverse intensità d
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Un singolo atomo di titanio-47 può rivelare transizioni di risonanza magnetica nucleare, riferisce un gruppo di ricerca guidato da Delft in un articolo pubblicato il 24 ottobre su Nature Communications. I ricercatori hanno usato la microscopia a effetto tunnel (STM) e uno schema di doppia risonanza elettronica e nucleare per indirizzare il nucleo dell’atomo, il cui spin è pari a 5/2. Le misure distinguono le transizioni dello spin nucleare in un singolo atomo su una superficie e aiutano a caratterizzare le interazioni che ne modellano lo spettro.
Leggere il nucleo attraverso il suo elettrone
«In questo lavoro, usando la microscopia a effetto tunnel, riveliamo la risonanza magnetica nucleare in un singolo atomo su una superficie.»
Gli autori scrivono che l’esperimento usa la STM per studiare un singolo atomo su una superficie. Il gruppo ha lavorato con atomi di titanio collocati in siti di legame dell’ossigeno su uno strato di ossido di magnesio cresciuto sull’argento. L’atomo di titanio possiede uno spin elettronico oltre a uno spin nucleare. La corrente tunnel spin-polarizzata dello strumento fornisce un segnale che cambia con lo stato dell’elettrone, legato al nucleo dalla loro interazione.
Per la misura in doppia risonanza, i ricercatori hanno applicato segnali a radiofrequenza in due intervalli di frequenza: un segnale nell’ordine dei gigahertz per indurre la risonanza dello spin elettronico e uno nell’ordine dei megahertz per indurre le transizioni nucleari. Hanno usato le altezze relative dei picchi di risonanza dello spin elettronico per seguire le popolazioni degli stati di spin nucleare. Quando la frequenza del segnale destinato al nucleo coincideva con quella di una transizione, le popolazioni misurate cambiavano, consentendo ai ricercatori di identificare la risonanza nucleare attraverso la risposta dell’elettrone.
Il metodo affronta una difficoltà di misura: gli spin nucleari sono relativamente isolati dall’ambiente circostante, una proprietà associata a stati di lunga durata, ma questo isolamento li rende anche più difficili da leggere e controllare. Precedenti misure STM avevano rilevato segnali simili a quelli della risonanza nucleare quando gli spin elettronico e nucleare erano fortemente ibridati, ossia quando i loro stati erano mescolati. L’approccio in doppia risonanza del nuovo studio separa l’induzione delle transizioni nucleari da quel segnale dipendente dall’ibridazione.
Gli effetti iperfini e quadrupolari modellano lo spettro
Il gruppo ha combinato le misure con un’analisi numerica basata su un’Hamiltoniana di spin efficace. L’analisi ha individuato un accoppiamento iperfine tra elettrone e nucleo e un accoppiamento quadrupolare associato allo spin nucleare. L’interazione iperfine separa la risonanza dello spin elettronico in base allo stato dello spin nucleare. L’interazione quadrupolare separa ulteriormente alcune transizioni nucleari, permettendo ai ricercatori di distinguere più risonanze anziché un unico segnale indistinto.
Nelle misure sull’atomo di titanio-47, il gruppo ha osservato transizioni nucleari intorno a 50 e 85 megahertz per due stati, e ulteriori segnali intorno a 65 e 75 megahertz per un’altra coppia. L’adattamento al modello dello spettro misurato ha fornito un accoppiamento iperfine di 132,4 ± 0,4 megahertz e un accoppiamento quadrupolare di −2,9 ± 0,8 megahertz. Gli autori osservano che quest’ultimo valore differisce modestamente da quelli riportati in precedenza e indicano come possibile spiegazione il gradiente del campo elettrico, che può dipendere dalla forma della punta STM.
I ricercatori hanno anche variato il campo magnetico da 200 a 1.400 millitesla. In tutto questo intervallo hanno continuato a osservare transizioni nucleari, mentre l’ibridazione tra elettrone e nucleo diminuiva di circa dieci volte. Hanno ricavato un fattore g nucleare di 0,37 ± 0,04, leggermente diverso dal valore misurato nel titanio-47 massivo. Le variazioni dell’intensità del segnale ai campi più elevati risentivano anche dei limiti all’ampiezza del segnale a radiofrequenza fornito dall’apparato sperimentale.
Indirizzare il nucleo non significa ancora controllarlo in modo coerente
Gli spin nucleari interessano i ricercatori nel campo dell’informazione quantistica perché il loro relativo isolamento può sostenere stati di lunga durata. La stessa proprietà può renderli difficili da indirizzare. Lo studio riferisce che il gruppo è riuscito a indirizzare il nucleo nel limite di debole ibridazione, che gli autori individuano come un requisito per il controllo diretto in un regime caratterizzato da tempi di vita lunghi. L’esperimento distingue e induce transizioni nucleari, ma non dimostra operazioni quantistiche coerenti sul nucleo.
Il risultato segue un precedente lavoro, firmato anche da alcuni degli stessi autori, sulla lettura del nucleo di un singolo atomo di titanio legato a una superficie. In quello studio del 2025, il gruppo ha dimostrato la lettura in una singola misura dello spin nucleare di un atomo di titanio-49 e ha misurato un tempo di vita intrinseco di 5,3 ± 0,5 secondi per uno stato nucleare selezionato. Il nuovo articolo affronta un passo diverso: distinguere le transizioni di risonanza nucleare ed esaminare gli accoppiamenti che le governano.
Nel loro insieme, gli studi passano dalla rilevazione di uno stato nucleare alla possibilità di indirizzarne le transizioni su scala atomica. Le nuove misure offrono un modo per esaminare come l’ambiente circostante di un singolo atomo influisca sul suo spin nucleare. Resta da verificare sperimentalmente se questo approccio possa essere usato per eseguire operazioni coerenti preservando la lunga durata degli stati.