Delftse onderzoekers sturen magnetische kern van een enkel atoom aan, tegen verwachtingen in

Onderzoekers van TU Delft zijn erin geslaagd het magnetisme in de kern van een enkel atoom aan te sturen met radiogolven. Dat was onverwacht: tot nu toe dachten natuurkundigen dat deze kernspin zich niet laat aansturen. De ontdekking kan mogelijkheden bieden voor het opslaan en uitlezen van quantuminformatie.

Het onderzoek is gepubliceerd in vakblad Nature Communications.

In metalen als ijzer of nikkel is ieder atoom een beetje magnetisch. Maar ook binnenin het atoom zijn weer verschillende magnetische ‘kompasnaaldjes’, in de quantummechanica ‘spins’ genoemd, actief. “Verreweg het sterkst is het magnetisme van de elektronen”, vertelt onderzoeksleider Sander Otte. “Maar in sommige atomen draagt ook de kern een spin met zich mee. Die is veel zwakker, maar ook veel beter afgeschermd van de buitenwereld.” 

De groep van Otte bestudeert spins met behulp van een omgebouwde tunnelmicroscoop. Hiermee kunnen elektrische signalen heel nauwkeurig worden gestuurd naar één specifiek atoom. In het verleden richtten de onderzoekers zich voornamelijk op de spin van het elektron, die het makkelijkst uit te lezen is. De kernspin kwam hooguit indirect aan bod, via de zogeheten hyperfijninteractie. Hierdoor raken de spins van de kern en dat van het elektron een klein beetje verstrengeld met elkaar.

Aansturing tegen verwachtingen in

In hun nieuwste experiment stuurden hoofdauteur Hester Vennema en haar collega’s tegelijk twee verschillende signalen af op een atoom: één voor het elektron en één voor de kern. Hiermee konden ze de invloed van beide signalen los van elkaar bestuderen. Wat bleek: zelfs als beide spins ver ‘ontstrengeld’ waren, bleef het mogelijk de kernspin om te klappen.

Dat dit lukte, kwam als een verrassing. “Volgens ons eenvoudige begrip zou dat eigenlijk niet moeten gebeuren”, zegt Otte. “De kernspin zou helemaal niet gevoelig moeten zijn voor de elektrische signalen van een tunnelmicroscoop.”

Gitaarsnaren

Speciaal voor dit onderzoek verfijnden de onderzoekers een oude meettechniek, dubbele magnetische resonantie, voor toepassing op één enkel atoom. Daarmee konden ze het magnetisme van de atoomkern en dat van een daaromheen cirkelend elektron onafhankelijk van elkaar aanspreken.

Bij magnetische resonantie wordt de oriëntatie van een spin verdraaid met behulp van een golfsignaal. Volgens de quantummechanica is het aantal mogelijke verdraaiingen beperkt. Daarom moet de golf precies de juiste trillingsfrequentie hebben. “Je kunt het vergelijken met de snaren van een gitaar”, legt Vennema uit. “Iedere verdraaiing van de spin is als een snaar met een eigen toon. Je moet precies de juiste toon aanbieden om een bepaalde snaar te laten meetrillen. De ‘tonen’ van een kernspin zijn honderd tot duizend keer lager dan die van een elektronspin.”

Veilige quantuminformatie

De kernspin van atomen is van belang voor eventuele toepassingen waarbij quantuminformatie veilig moet worden opgeborgen. Aansturing van de kernspin kan daarbij mogelijkheden bieden voor het opslaan en uitlezen van quantuminformatie. Maar vooralsnog roept het onderzoek vooral nieuwe vragen op over hoe de kernspin wordt aangedreven. “Terug naar de tekentafel dus,” zegt Otte. “Zo gaat het eigenlijk altijd in de wetenschap, er is altijd weer iets nieuws om uit te zoeken.”