Nel laboratorio della Delft University of Technology nei Paesi Bassi, i ricercatori hanno osservato in tempo reale come il nucleo magnetico di un singolo atomo cambi la sua configurazione quantistica. Utilizzando un microscopio a effetto tunnel dotato di una punta affilata a livello atomico, il team guidato dal professor Sander Otte è riuscito a “leggere” lo spin nucleare attraverso gli elettroni circostanti, aprendo prospettive per il quantum sensing e la simulazione quantistica. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications.
Il microscopio a effetto tunnel è lo strumento principe della ricerca atomica moderna, ma può percepire solo gli elettroni che orbitano attorno al nucleo, non il nucleo stesso. Sia elettroni che nuclei possiedono lo spin, una proprietà quantistica legata al magnetismo, ma fino a oggi solo quello elettronico era stato misurato in tempo reale. Il gruppo olandese ha sfruttato l’interazione iperfine tra spin elettronici e nucleari, fenomeno noto ma mai osservato con questa rapidità. I tentativi precedenti erano troppo lenti per catturare i movimenti dinamici del nucleo.
Cinque secondi di stabilità quantistica
Gli autori Evert Stolte e Jinwon Lee hanno sviluppato una tecnica di misurazione rapida su atomi con spin nucleare noto. La svolta è arrivata quando hanno visto il segnale alternare in tempo reale tra due livelli distinti, corrispondenti al flip dello spin nucleare.
La scoperta è sorprendente perché lo spin elettronico dura appena 100 nanosecondi, mentre quello nucleare mantiene il suo stato per circa cinque secondi: un’eternità in termini quantistici. Questa stabilità apre nuove possibilità sperimentali per il controllo dei nuclei atomici.
Verso il controllo quantistico atomico
Il raggiungimento della cosiddetta lettura single-shot è una conquista tecnologica di primo piano: ora è possibile misurare lo spin nucleare più velocemente di quanto cambi, senza interferire con esso. “Il primo passo in qualsiasi nuova frontiera sperimentale è riuscire a misurarla, ed è ciò che siamo riusciti a fare per gli spin nucleari su scala atomica”, ha dichiarato Stolte.
Le implicazioni vanno oltre il laboratorio olandese: la capacità di leggere e controllare spin nucleari su superfici apre la strada a sensori quantistici ultrasensibili e simulatori capaci di modellare sistemi fisici complessi con precisione inedita. Il controllo degli spin nucleari non è più teoria: è una realtà sperimentale che potrebbe rivoluzionare diversi campi della fisica applicata.
