Pulso magnético do átomo de titânio-49 é medido entre estados quânticos

O “coração” magnético de um átomo - o vai e vem entre estados quânticos - teve o seu pulso cronometrado em laboratório.

Para isso, físicos recorreram a um microscópio de tunelamento por varredura (STM) e acompanharam elétrons que se moviam em sincronia com o núcleo de um átomo de titânio-49. A partir desse comportamento, eles conseguiram estimar por quanto tempo dura, em isolamento, a batida magnética do núcleo.

"Essas descobertas", escrevem no artigo, "oferecem uma visão em escala atômica sobre a natureza do relaxamento do spin nuclear e são relevantes para o desenvolvimento de plataformas de qubits montadas átomo a átomo."

O que é o momento de spin e por que ele importa

Na física, “spin” é o termo usado para descrever uma versão quântica do momento angular. Além de ser essencial para entender como ímãs se comportam, ele frequentemente serve de base para a computação quântica como uma unidade de informação - o qubit.

Dentro de um núcleo atômico, inúmeras partículas subatômicas, em meio a um cenário quântico turbulento, contribuem para o spin total. Só que a alternância coletiva desses spins - o “flip-flop” conforme assumem uma configuração - é facilmente afetada pelo ambiente ao redor do átomo. Se engenheiros puderem conhecer as características desse estado coletivo antes que o meio externo interfira, isso pode abrir espaço para um novo tipo de qubit.

O dilema de observar o spin do núcleo sem perturbá-lo

A dificuldade é que medir o estado de spin do núcleo sem influenciá-lo é, por si só, um problema real. Pensando nisso, uma equipe liderada pelos físicos Evert Stolte e Jinwon Lee, da Universidade de Tecnologia de Delft, na Holanda, considerou usar o comportamento dos elétrons do átomo como um indicador indireto.

Alguns anos atrás, pesquisadores já haviam mostrado que era possível usar a chamada interação hiperfina entre os elétrons e o núcleo como guia, sem precisar interferir diretamente na “dança” magnética nuclear.

"A ideia geral havia sido demonstrada alguns anos atrás, fazendo uso da chamada interação hiperfina entre spins eletrônicos e nucleares", explica o físico Sander Otte, da Universidade de Tecnologia de Delft. "No entanto, essas medições iniciais eram lentas demais para capturar o movimento do spin nuclear ao longo do tempo."

Titânio-49 e o esquema de medição em pulsos com STM

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

O experimento foi feito com um isótopo estável e natural de titânio, o titânio-49. Ele é bastante usado em pesquisas de física nuclear porque o núcleo apresenta propriedades magnéticas reativas interessantes e um spin forte, que os cientistas conseguem manipular para investigar o comportamento de núcleos atômicos.

Com esse regime de pulsos, Stolte e Lee acompanharam, em tempo real, a troca de estado do átomo no monitor do computador. Eles concluíram que havia um intervalo de cerca de cinco segundos entre cada alternância - uma medição que conseguiram realizar mais rapidamente do que a oscilação do núcleo.

"Conseguimos mostrar que essa alternância corresponde ao spin nuclear mudando de um estado quântico para outro, e depois voltando", diz Stolte. "O primeiro passo em qualquer nova fronteira experimental é conseguir medi-la, e foi isso que conseguimos fazer para spins nucleares na escala atômica."

A pesquisa foi publicada na revista Nature Communications.