荷兰代尔夫特理工大学的研究人员能够实时观察到原子磁核的来回切换。他们通过扫描隧道显微镜的针头读取了同一原子中电子的核“自旋”。

令他们惊讶的是，自旋保持了几秒钟的稳定，这为增强对磁核的控制提供了希望。这项发表在《自然通讯》上的研究，标志着原子尺度量子传感的进步。

扫描隧道显微镜 (STM) 由一根原子级锋利的针头组成，它可以“感知”表面的单个原子，并生成具有原子分辨率的图像。或者更准确地说，STM 只能感知原子核周围的电子。原子中的电子和原子核都具有潜在的小磁体特性。

根据原子的类型，每个原子都携带一个称为“自旋”的量，即磁性的量子力学等效量。十年前，首次利用扫描隧道显微镜 (STM) 测量单个电子自旋的运动。由桑德·奥特 (Sander Otte) 教授领导的代尔夫特理工大学 (TU Delft) 研究小组想知道：他们是否也能利用扫描隧道显微镜 (STM) 及时读取原子的另一部分——核自旋?

读出核自旋

扫描隧道显微镜 (STM) 对核自旋无法直接敏感，因此研究团队不得不利用电子间接读取核自旋。“几年前，人们就已证明了这一基本思路，利用了电子与核自旋之间所谓的超精细相互作用，”Otte 解释道。“然而，这些早期的测量速度太慢，无法捕捉核自旋随时间的运动。”

本文第一作者 Evert Stolte 和 Jinwon Lee 着手对一个已知带有核自旋的原子进行快速测量。令他们兴奋的是，他们在电脑屏幕上实时观察到了信号在两个不同能级之间的切换。

斯托尔特说： “我们能够证明这种转变对应于核自旋从一个量子态翻转到另一个量子态，然后再翻转回来。”

他们确定自旋变化大约需要五秒钟，比STM可用的许多其他量子系统要长得多。例如，同一原子中电子自旋的寿命只有大约100纳秒。

单次读数

由于研究人员能够以比原子核自旋状态翻转更快的速度测量它，并且(大部分情况下)测量本身不会引起翻转，他们实现了所谓的“单次读出”。这为控制核自旋开辟了激动人心的实验可能性。此外，在表面核自旋的读取和控制方面取得的根本性进展，从长远来看，将有助于原子尺度上的量子模拟或量子传感等应用。

斯托尔特说：“任何新实验的第一步都是能够测量它，这就是我们在原子尺度上对核自旋所做的测量。”

更多信息： Evert W. Stolte 等人，单次读取表面原子的核自旋，《自然通讯》(2025)。期刊信息： 《自然通讯》