Forschern der Technischen Universität Delft in den Niederlanden ist es gelungen, eine kontrollierte Bewegung im Innersten eines Atoms zu initiieren. Sie ließen den Atomkern mit einem der Elektronen in der äußersten Schale des Atoms interagieren. Dieses Elektron konnte manipuliert und durch die Nadel eines Rastertunnelmikroskops ausgelesen werden.
Die Forschung, veröffentlicht In Naturkommunikationbietet Aussichten, Quanteninformationen im Kern zu speichern, wo sie vor externen Störungen geschützt sind.
Wochenlang untersuchten die Forscher ein einzelnes Titanatom. „Ein Ti-47-Atom, um genau zu sein“, sagt Forschungsleiter Sander Otte. „Es besitzt ein Neutron weniger als das natürlich vorkommende Ti-48, was den Atomkern leicht magnetisch macht.“
Dieser Magnetismus, in der Quantensprache „Spin“, lässt sich als eine Art Kompassnadel betrachten, die in verschiedene Richtungen zeigen kann. Die Ausrichtung des Spins zu einem bestimmten Zeitpunkt stellt eine Quanteninformation dar.
Der Atomkern schwebt in einem vergleichsweise riesigen Vakuum, weit entfernt von den ihn umkreisenden Elektronen, ohne seine Umgebung wahrzunehmen. Doch es gibt eine Ausnahme: Aufgrund der extrem schwachen „Hyperfeinwechselwirkung“ kann der Kernspin durch den Spin eines der Elektronen beeinflusst werden.
„Leichter gesagt als getan“, sagt Lukas Veldman, der kürzlich seine Doktorarbeit über die Forschung mit Auszeichnung verteidigte. „Die Hyperfeinwechselwirkung ist so schwach, dass sie nur in einem sehr kleinen, präzise abgestimmten Magnetfeld wirksam ist.“
Nachdem alle experimentellen Bedingungen erfüllt waren, brachten die Forscher den Elektronenspin mit einem Spannungsimpuls aus dem Gleichgewicht, woraufhin beide Spins für den Bruchteil einer Mikrosekunde gemeinsam wackelten. „Genau so, wie Schrödinger es vorhergesagt hatte“, sagt Veldman.
Parallel zu den Experimenten führte er Berechnungen durch, die die beobachteten Schwankungen überraschend gut reproduzierten. Die starke Übereinstimmung zwischen Beobachtungen und Vorhersagen zeigt, dass bei der Wechselwirkung zwischen Elektron und Atomkern keine Quanteninformation verloren geht.
Die effiziente Abschirmung von der Umgebung macht den Kernspin zu einem vielversprechenden Kandidaten für die Speicherung von Quanteninformationen. Die aktuelle Forschung könnte dieser Anwendung einen Schritt näher kommen. Doch das ist nicht das, was die Forscher in erster Linie antreibt.
Otte: „Mit diesem Experiment haben wir als Menschen die Möglichkeit, auf einer unvorstellbar kleinen Skala Einfluss auf den Zustand der Materie zu nehmen. Allein das ist für mich den Aufwand wert.“
Weitere Informationen:
Lukas M. Veldman et al, Kohärente Spindynamik zwischen Elektron und Kern innerhalb eines einzelnen Atoms, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-52270-0