Físicos cronometram o pulso magnético de um átomo de titânio-49

O pulso do coração magnético de um átomo, enquanto alterna entre estados quânticos, foi cronometrado em laboratório.

Físicos recorreram a um microscópio de efeito de túnel de varrimento para acompanhar eletrões que se deslocavam em sintonia com o núcleo de um átomo de titânio-49. Assim, conseguiram estimar, de forma isolada, a duração da pulsação magnética do núcleo.

"Estes resultados", escrevem no artigo, "oferecem 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."

Spin nuclear e computação quântica

Na Física, spin é o termo usado para descrever uma versão quântica do momento angular. Além de ser essencial para o comportamento dos ímanes, é frequentemente usado na computação quântica como um «bit» de informação, chamado qubit.

Várias partículas subatómicas, agitadas numa tempestade quântica, contribuem para o spin total de um núcleo. Contudo, a alternância dos spins coletivos à medida que adotam uma configuração é facilmente afetada pelo meio que rodeia o átomo. Conhecer as características deste estado coletivo de spin antes de o ambiente o perturbar poderá dar aos engenheiros um novo tipo de qubit com que trabalhar.

Observar o estado de spin de um núcleo sem o influenciar representa, porém, um verdadeiro dilema. Por isso, uma equipa liderada pelos físicos Evert Stolte e Jinwon Lee, da Universidade de Tecnologia de Delft, nos Países Baixos, considerou que o comportamento dos eletrões de um átomo poderia servir como indicador indireto.

A interação hiperfina no titânio-49

Há alguns anos, investigadores concluíram que podiam usar como referência a chamada interação hiperfina entre os eletrões e o respetivo núcleo, sem terem de interferir diretamente na sua dança magnética.

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

Para contornar essa limitação, os investigadores criaram um método de medição por impulsos. Em vez de efetuar uma observação contínua, um microscópio de efeito de túnel de varrimento mede, em impulsos breves separados por intervalos, um átomo cujo spin nuclear é conhecido.

Para a experiência, selecionaram o titânio-49, um isótopo estável e de ocorrência natural do titânio. Este isótopo é uma escolha frequente na investigação em física nuclear, pois o seu núcleo possui propriedades interessantes de resposta magnética e um spin forte, que os cientistas conseguem manipular para compreender o comportamento dos núcleos atómicos.

Alternância do spin observada em tempo real

Com este regime de impulsos, Stolte e Lee viram a alternância do átomo em tempo real na leitura apresentada no ecrã do computador. Determinaram que decorriam cerca de cinco segundos entre cada mudança - uma medição que conseguiam realizar mais depressa do que a oscilação do núcleo.

"Conseguimos demonstrar que esta alternância corresponde ao spin nuclear a passar de um estado quântico para outro, e depois a regressar", afirma Stolte. "O primeiro passo em qualquer nova fronteira experimental é conseguir medi-la, e foi isso que pudemos fazer com spins nucleares à escala atómica."

A investigação foi publicada na revista Nature Communications.