Forscher der Quantenphysik verursachen kontrollierte „Schwingungen“ im Kern eines einzelnen Atoms

Forschern der Technischen Universität Delft in den Niederlanden ist es gelungen, eine kontrollierte Bewegung im Herzen eines Atoms auszulösen. Sie ließen den Atomkern mit einem der Elektronen in der äußersten Hülle des Atoms interagieren. Dieses Elektron könnte manipuliert und durch die Nadel eines Rastertunnelmikroskops gelesen werden.

Die Studie, veröffentlicht in Naturkommunikationbietet Möglichkeiten, Quanteninformationen im Inneren des Kerns zu speichern, wo sie vor äußeren Störungen geschützt sind.

Wochenlang untersuchten Forscher ein einzelnes Titanatom. „Ein Ti-47-Atom, um genau zu sein“, erklärt Forschungsleiter Sander Otte. „Es hat ein Neutron weniger als natürlich vorkommendes Ti-48, wodurch der Kern leicht magnetisch ist. »

Dieser Magnetismus, in der Quantensprache „Spin“, kann als eine Art Kompassnadel betrachtet werden, die in verschiedene Richtungen zeigen kann. Die Ausrichtung des Spins zu einem bestimmten Zeitpunkt stellt Quanteninformation dar.

Der Atomkern schwebt in einem relativ riesigen Vakuum, weit entfernt von den ihn umkreisenden Elektronen, ohne Rücksicht auf seine Umgebung. Es gibt jedoch eine Ausnahme: Aufgrund der extremen Schwäche der Hyperfeinwechselwirkung kann der Kernspin durch den Spin eines der Elektronen beeinflusst werden.

„Das ist leichter gesagt als getan“, erklärt Lukas Veldman, der kürzlich seine Doktorarbeit zu dieser Forschung mit Auszeichnung verteidigt hat. „Die Hyperfeinwechselwirkung ist so schwach, dass sie nur in einem sehr schwachen und genau abgestimmten Magnetfeld wirksam ist. »

Nachdem alle experimentellen Bedingungen erfüllt waren, verwendeten die Forscher einen Spannungsimpuls, um den Spin des Elektrons aus dem Gleichgewicht zu bringen, woraufhin die beiden Spins für den Bruchteil einer Mikrosekunde gemeinsam oszillierten. „Genau wie Schrödinger vorhergesagt hat“, sagt Veldman.

Begleitend zu den Experimenten führte er Berechnungen durch, die die beobachteten Schwankungen mit erstaunlicher Präzision wiedergeben konnten. Die starke Übereinstimmung zwischen Beobachtungen und Vorhersagen zeigt, dass bei der Wechselwirkung zwischen Elektron und Kern keine Quanteninformation verloren geht.

Dank seiner wirksamen Abschirmung gegenüber der Umgebung ist der Kernspin ein geeigneter Kandidat für die Quanteninformationsspeicherung. Aktuelle Forschungsergebnisse könnten uns dieser Anwendung einen Schritt näher bringen. Aber das ist nicht die Hauptmotivation der Forscher.

Otte sagt: „Dieses Experiment ermöglicht es dem Menschen, in unglaublich kleinem Maßstab Einfluss auf den Zustand der Materie zu nehmen.“ Für mich lohnt es sich. »