艺术家根据实际测量数据对原子在不同量子态之间翻转的核自旋的印象。观察到翻转是通过原子的电流在几秒的时间尺度上波动。

荷兰代尔夫特理工大学的研究人员实时观察到原子的磁核在状态之间翻转。

荷兰代尔夫特理工大学的研究人员成功观察到单个原子的磁核在状态之间实时切换。他们通过使用扫描隧道显微镜的针头检测核“自旋”对同一原子电子的影响来测量核“自旋”。出乎意料的是，自旋保持稳定了几秒钟，为精确控制核磁开辟了新的可能性。这项研究发表在《自然通讯》上，代表了原子水平量子传感的进展。

扫描隧道显微镜 （STM） 配备了一根原子级锋利的针，能够检测表面上的单个原子并创建具有原子尺度细节的图像。更具体地说，STM 感测原子核周围的电子。电子和原子核都充当微小的磁铁，每个磁铁都带有称为“自旋”的特性，即磁取向的量子等价物。

大约十年前，科学家们首次成功地用 STM 跟踪单个电子的自旋。在此基础上，桑德·奥特教授领导的代尔夫特团队询问是否可以使用相同的方法来观察核自旋随时间的变化，从而探测原子的第二个磁性成分。

读出核旋转

STM 对核自旋不直接敏感，因此该团队不得不使用电子间接读出核自旋。“总体思路在几年前就已经得到证明，利用了电子和核自旋之间所谓的超精细相互作用，”Otte 解释道。然而，这些早期测量太慢，无法捕捉核自旋随时间的运动。

实验的图形摘要。电压信号通过 STM 针发送到携带核自旋的原子。该信号的频率仅与核自旋可以占据的 8 个量子态中的 1 个的能量相匹配。随着时间的推移，通过原子的电流在较高值（红色）和较低值（灰色）之间切换，分别表明核自旋位于所选量子态或其他 7 种态中的任何一种。可以看到自旋在相当多的几分之一秒内保持在同一状态。在实验的一个更受控的版本中，发现核自旋稳定长达 5 秒。

快速测量

第一作者 Evert Stolte 和 Jinwon Lee 着手对已知携带核自旋的原子进行快速测量。令他们兴奋的是，他们在计算机屏幕上实时观察到两个不同能级之间的信号切换。

“我们能够证明这种切换对应于核自旋从一个量子态翻转到另一个量子态，然后再翻转回来，”斯托尔特说。他们确定自旋发生变化大约需要五秒钟，这比可用于 STM 的许多其他量子系统要长得多。例如，同一原子中电子自旋的寿命仅为 100 纳秒左右。

单次读数

由于研究人员可以比翻转更快地测量核自旋状态，并且（大部分）不会因测量本身而引起翻转，因此他们实现了所谓的“单次读数”。这为控制核自旋开辟了令人兴奋的实验可能性。

此外，从长远来看，表面核自旋的读数和控制方面取得的根本进展可能有助于原子尺度的量子模拟或量子传感等应用。斯托尔特：“任何新实验前沿的第一步都是能够测量它，这就是我们能够在原子尺度上为核自旋做的事情。