TU Delft krijgt controle over atoomkern met radiogolven: 'Dit zou niet moeten kunnen'

In dit artikel:

Onderzoekers van de TU Delft hebben met radiogolven het magnetisme van de kern van één afzonderlijk atoom beïnvloed. Onder leiding van hoogleraar Sander Otte en hoofdauteur Hester Vennema gebruikten zij een aangepaste scanningtunnelmicroscoop, waarmee elektrische signalen op atomaire schaal kunnen worden toegediend. Het onderzoek verscheen in *Nature Communications*.

De atoomkern heeft, net als een elektron, een magnetisch moment dat wordt bepaald door quantumspin. Kernspin is veel zwakker dan elektronspin en bovendien goed afgeschermd van de omgeving. Dat maakt de kern interessant als stabiele opslag voor quantuminformatie, maar juist daardoor is hij moeilijk te manipuleren en uit te lezen.

Met een verfijnde vorm van dubbele magnetische resonantie stuurde het team tegelijk afzonderlijke signalen naar de elektron- en kernspin van één atoom. De onderzoekers ontdekten dat de kernspin van toestand kon veranderen, ook wanneer de quantumtoestanden van elektron en kern grotendeels niet meer met elkaar verstrengeld waren. Volgens de bestaande theorie zou de kern dan nauwelijks op de elektrische signalen moeten reageren. Het onderliggende mechanisme is nog onbekend.

De techniek berust op resonantie: elke spinovergang reageert op een specifieke frequentie. Kernspins werken bij frequenties die honderd tot duizend keer lager liggen dan die van elektronspins. Door beide signalen apart af te stemmen, kregen de onderzoekers meer controle over het atoom.

De vondst kan bijdragen aan quantumgeheugen, waarbij een kernspin informatie bewaart en elektronen helpen bij verwerking en uitlezing. De Delftse groep kon eerder al quantumbewegingen in een kern controleren en een kernspin realtime uitlezen. Een praktisch quantumgeheugen is echter nog niet bereikt: de nieuwe methode moet betrouwbaar en reproduceerbaar blijken en mag opgeslagen informatie niet verstoren. Eerst moeten de onderzoekers verklaren waarom de kernspin onverwacht reageert.