Investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft) en los Países Bajos han logrado observar en tiempo real cómo el núcleo magnético de un átomo cambia de un estado a otro. Leen el «espín» nuclear de los electrones en el mismo átomo mediante la punta de un microscopio de efecto túnel (STM).

Para su sorpresa, el espín se mantuvo estable durante varios segundos, lo que ofrece esperanzas para un mayor control del núcleo magnético. Este estudio, publicado en Nature Communications, marca un avance en la detección cuántica a escala atómica.

El microscopio de efecto túnel (STM) consiste en una punta afilada a nivel atómico que puede «sentir» átomos individuales en una superficie y generar imágenes con resolución atómica. O, más precisamente, el STM solo puede percibir los electrones alrededor del núcleo atómico. Tanto los electrones como el núcleo de un átomo poseen la propiedad de ser pequeños imanes potenciales.

Dependiendo del tipo de átomo, cada uno porta una cantidad llamada «espín», el equivalente cuántico-mecánico del magnetismo. Hace una década, se midió por primera vez el movimiento del espín de un solo electrón utilizando un microscopio de efecto túnel (STM). El grupo de investigación de la TU Delft, liderado por el profesor Sander Otte, se preguntó: ¿podrían también leer con un STM la otra parte del átomo, el espín nuclear, en el tiempo?

Lectura del espín nuclear

El STM no es directamente sensible al espín nuclear, por lo que el equipo de investigación tuvo que leerlo indirectamente utilizando electrones. «La idea básica ya se demostró hace unos años, utilizando la llamada interacción hiperfina entre el electrón y el espín nuclear», explica Otte. «Sin embargo, esas primeras mediciones eran demasiado lentas para capturar el movimiento del espín nuclear en el tiempo».

Los primeros autores del artículo, Evert Stolte y Jinwon Lee, se propusieron realizar mediciones rápidas en un átomo conocido por tener espín nuclear. Para su emoción, observaron en tiempo real en la pantalla de la computadora cómo la señal cambiaba entre dos niveles de energía diferentes.

Stolte dice: «Pudimos demostrar que esta transición corresponde al volteo del espín nuclear de un estado cuántico a otro, y de vuelta».

Determinaron que el cambio de espín tarda aproximadamente cinco segundos, mucho más que muchos otros sistemas cuánticos accesibles para el STM. Por ejemplo, la vida útil del espín del electrón en el mismo átomo es solo de unos 100 nanosegundos.

Lectura de un solo disparo

Dado que los investigadores pudieron medir el espín nuclear más rápido de lo que cambia su estado, y (en su mayor parte) la medición en sí no provocó un cambio, lograron lo que se denomina «lectura de un solo disparo». Esto abre emocionantes posibilidades experimentales para el control del espín nuclear. Además, el progreso fundamental en la lectura y el control del espín nuclear en superficies podría, a largo plazo, contribuir a aplicaciones como la simulación cuántica o la detección cuántica a escala atómica.

Stolte dice: «El primer paso en cualquier nuevo experimento es poder medirlo, y eso es lo que hemos hecho con el espín nuclear a escala atómica».