Για δεκαετίες, οι φυσικοί θεωρούσαν τον πυρήνα ενός ατόμου ως ένα «απόρθητο φρούριο»: εξαιρετικά μικρό, βαθιά κρυμμένο και σχεδόν απρόσβλητο από εξωτερικές παρεμβάσεις. Όταν ήθελαν να «παίξουν» με τον μαγνητισμό σε ατομικό επίπεδο, στρέφονταν σχεδόν αποκλειστικά στα ηλεκτρόνια που κινούνται γύρω του.
Όμως, μια νέα ανακάλυψη από την Ολλανδία έρχεται να ανατρέψει τα δεδομένα, αποδεικνύοντας πως ακόμη και τα πιο καλά κρυμμένα μυστικά της ύλης μπορούν να ελεγχθούν με τον πιο απρόσμενο τρόπο. Μια νέα τεχνική επιτρέπει στους ερευνητές να χειραγωγούν τον μαγνητισμό βαθιά στο εσωτερικό ενός μεμονωμένου ατόμου.
Οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν ραδιοκύματα για να ελέγξουν το μαγνητικό σπιν ενός μεμονωμένου ατομικού πυρήνα, πετυχαίνοντας ένα αποτέλεσμα που αμφισβητεί όσα γνώριζαν μέχρι σήμερα για τον τρόπο λειτουργίας του ατομικού μαγνητισμού.
Το πείραμα, το οποίο διεξήχθη στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ (Delft University of Technology) και δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Nature Communications, αποδεικνύει ότι το πυρηνικό σπιν μπορεί να ελεγχθεί υπό συνθήκες στις οποίες οι ερευνητές δεν περίμεναν να υπάρξει καμία αντίδραση. Σε αντίθεση με τον σχετικά ισχυρό μαγνητισμό που συνδέεται με τα ηλεκτρόνια, ο πυρηνικός μαγνητισμός είναι εξαιρετικά ασθενής και πολύ πιο απομονωμένος από το περιβάλλον του.
«Ο ισχυρότερος μαγνητισμός, με διαφορά, προέρχεται από τα ηλεκτρόνια», αναφέρει ο επικεφαλής της έρευνας, Σάντερ Ότε (Sander Otte). «Ωστόσο, σε ορισμένα άτομα, ο πυρήνας φέρει επίσης ένα σπιν. Αυτό το σπιν είναι πολύ πιο ασθενές, αλλά ταυτόχρονα είναι και πολύ καλύτερα θωρακισμένο από τον έξω κόσμο».
Η απρόσμενη «απάντηση» από την καρδιά του ατόμου
Για να διερευνήσει τον μαγνητισμό σε ατομική κλίμακα, η ομάδα του Ότε χρησιμοποιεί ένα τροποποιημένο μικροσκόπιο σάρωσης σήραγγας, ικανό να κατευθύνει ηλεκτρικά σήματα σε μεμονωμένα άτομα. Προηγούμενα πειράματα εξέταζαν κυρίως το σπιν των ηλεκτρονίων, το οποίο είναι πιο εύκολο να ανιχνευθεί και να ελεγχθεί.
Το πυρηνικό σπιν μπορούσε να παρατηρηθεί μόνο έμμεσα μέσω της υπερλεπτής αλληλεπίδρασης, μιας κβαντικής σύζευξης ανάμεσα στις μαγνητικές ιδιότητες ενός ηλεκτρονίου και του πυρήνα.
Στο τελευταίο πείραμα, η επικεφαλής συγγραφέας της μελέτης, Έστερ Βένεμα (Hester Vennema), και οι συνεργάτες της εφάρμοσαν ταυτόχρονα δύο σήματα:
Το ένα στόχευε το ηλεκτρόνιο και το άλλο τον πυρήνα. Εξετάζοντας τα αποτελέσματά τους ξεχωριστά, οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι μπορούσαν να αντιστρέψουν το πυρηνικό σπιν, ακόμη και όταν αυτό ήταν σε μεγάλο βαθμό αποσυνδεδεμένο από το σπιν του ηλεκτρονίου.
Αυτό διέψευσε την προσδοκία τους ότι ο πυρήνας δεν θα αντιδρούσε ανεξάρτητα στα ηλεκτρικά σήματα του μικροσκοπίου. «Σύμφωνα με την απλή κατανόηση που είχαμε μέχρι σήμερα, αυτό δεν θα έπρεπε κανονικά να συμβαίνει», δηλώνει ο Ότε. «Το πυρηνικό σπιν δεν θα έπρεπε να είναι καθόλου ευαίσθητο στα ηλεκτρικά σήματα ενός μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας».
Συχνότητες ακριβείας: Το «κλειδί» για τον έλεγχο του ατομικού μαγνητισμού
Οι ερευνητές πέτυχαν αυτόν τον έλεγχο προσαρμόζοντας τον διπλό μαγνητικό συντονισμό —μια ήδη καθιερωμένη τεχνική— ώστε να λειτουργεί σε ένα μεμονωμένο άτομο. Η μέθοδος αυτή τους επέτρεψε να στοχεύσουν τον πυρήνα και το ηλεκτρόνιο ανεξάρτητα, χρησιμοποιώντας σήματα συντονισμένα στις αντίστοιχες μαγνητικές συχνότητές τους. Στην κβαντομηχανική, το σπιν μπορεί να εναλλάσσεται μεταξύ συγκεκριμένων επιτρεπόμενων καταστάσεων, και κάθε μετάβαση απαιτεί ένα σήμα με την κατάλληλη συχνότητα.
«Μπορείτε να το παρομοιάσετε με τις χορδές μιας κιθάρας», εξηγεί η Βένεμα. «Κάθε πιθανή περιστροφή του σπιν είναι σαν μια χορδή με τη δική της νότα. Πρέπει να παίξεις ακριβώς τη σωστή νότα για να κάνεις μια συγκεκριμένη χορδή να δονηθεί. Οι “νότες” ενός πυρηνικού σπιν είναι εκατό έως χίλιες φορές χαμηλότερες από εκείνες του σπιν ενός ηλεκτρονίου».
Νέοι ορίζοντες στην αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας
Τα πυρηνικά σπιν αποτελούν πολλά υποσχόμενους «υποψηφίους» για την αποθήκευση κβαντικής πληροφορίας, επειδή είναι σχετικά καλά προστατευμένα από εξωτερικές διαταραχές που μπορούν να καταστρέψουν τις ευαίσθητες κβαντικές καταστάσεις.
Η ικανότητα ελέγχου ενός μεμονωμένου πυρηνικού σπιν θα μπορούσε τελικά να υποστηρίξει νέες μεθόδους αποθήκευσης και ανάγνωσης κβαντικών δεδομένων, αν και οι πρακτικές εφαρμογές παραμένουν μια μελλοντική προοπτική.
Προς το παρόν, το πείραμα αφήνει αναπάντητο ένα θεμελιώδες ερώτημα: Ποιος φυσικός μηχανισμός επιτρέπει στο πυρηνικό σπιν να αντιδρά, όταν η σύζευξή του με το σπιν του ηλεκτρονίου δεν αρκεί για να εξηγήσει τη συμπεριφορά που παρατηρήθηκε; Η κατανόηση αυτής της διαδικασίας θα απαιτήσει περαιτέρω έρευνα.
«Πίσω στον σχεδιασμό, λοιπόν», δηλώνει ο Ότε. «Έτσι λειτουργεί στην πραγματικότητα η επιστήμη. Υπάρχει πάντα κάτι καινούργιο που απομένει να ανακαλύψουμε».
