Наблюдение за квантовыми системами способно изменить их состояние. При этом, чем больше частиц объединено в одну систему, тем труднее получить достоверные данные о ней. Группа физиков разработала методику, позволяющую наблюдать за крупной квантовой системой в течение более чем суток, минимизируя при этом её возмущение.
Квантовые явления чувствительны к воздействию шумов, возникающих в окружающей среде. Для уменьшения влияния помех физики разрабатывают небольшие, строго контролируемые системы, порой включающие всего два атома. Для этого их необходимо тщательно изолировать: охлаждать, обеспечивать отсутствие света и звука. Хотя крупные системы более перспективны для практического использования, в них сложнее поддерживать квантовые свойства из-за шумов, возникающих при увеличении размеров объекта исследования.
Ученые из Университета Джонса Хопкинса (США) предложили метод, существенно облегчающий исследование квантовых явлений. Разработанная ими система использует макроскопические спиновые ансамбли, что позволяет отслеживать их изменения с течением времени и непосредственно наблюдать колебания спинов. При этом применяемый метод не нарушает квантовые эффекты, проявляющиеся в системе. Показанная чувствительность подхода близка к теоретическому пределу, определяемому принципами квантовой механики. Статья об этом опубликована в журнале Nature Physics.
В качестве ключевого элемента экспериментального устройства используется сверхпроводящая схема, а информацию с нее собирает СКВИД – сверхпроводящий квантовый интерферометр, являющийся крайне чувствительным датчиком магнитного поля. Исследователи расположили ядра фтора-19 внутри приемной катушки тефлоне и ядра водорода в нейлоне, катушку подключили к детектору. Всю систему охлаждали до сверхнизких температур, ниже одного кельвина. Такая установка смогла считывать информацию о спинах в системе через данные о магнитном резонансе без внешнего возбуждения.
Для изучения ученые применили естественные колебания температуры в сверхпроводящей микросхеме, сделав их единственным фактором, влияющим на процесс. Магнитное поле было отрегулировано таким образом, чтобы частота спинового резонанса соответствовала резонансной частоте схемы. Благодаря этому исследователи смогли определить состояние спинов, наблюдая за изменениями в свойствах сверхпроводящей схемы.
Зарегистрированные изменения углов вращения спинов полностью соответствовали теоретическим моделям и демонстрировали прогнозируемое масштабирование в зависимости от количества спинов и степени их поляризации. Это свидетельствует о том, что исследователи наблюдали истинный квантовый спиновый шум, а не посторонние помехи. Наблюдение продолжалось 26 часов.
«В ходе предыдущих исследований схожая точность достигалась при использовании ячеек с атомным паром, содержащих приблизительно 100 миллиардов атомов. Нашей команде удалось достичь квантового предела точности, используя твердый образец, в котором сосредоточено почти пять секстиллионов (5×10²¹) спинов. Минимальный зафиксированный угол флуктуации составил всего девять нанорадиан – это исключительно точный показатель. Для сравнения, примерно такой же угловой размер имел бы человек, находящийся на Луне, если бы на него смотрели с Земли», — сообщил Александр Сушков ( Alexander Sushkov), старший автор статьи.
Ученые полагают, что их разработка позволит проводить неинвазивную спектроскопию магнитной резонанса, благодаря чему станет возможным изучение материалов без изменения их характеристик под воздействием процесса исследования. Это особенно ценно при работе с веществами, склонными к взрыву или обладающими высокой чувствительностью.