Quantumonderzoekers brengen de kern van één enkel atoom aan het wankelen

Delftse onderzoekers zijn erin geslaagd een gecontroleerde quantumbeweging in gang te zetten in het binnenste van een atoom. Daartoe lieten ze de kern wisselwerken met één van de elektronen in de buitenste schillen van het atoom. Dit elektron kon rechtstreeks worden aangestuurd en uitgelezen door de naald van een tunnelmicroscoop. Het onderzoek, dat vandaag verschijnt in vakblad Nature Communications, biedt mogelijkheden voor het opslaan van quantuminformatie in de atoomkern, waar het veilig is voor invloeden van buitenaf.

De onderzoekers bestudeerden wekenlang één enkel titaniumatoom. “Een Ti-47-atoom, om precies te zijn,” zegt onderzoeksleider Sander Otte. “Dat heeft één neutron minder dan het gangbare Ti-48, waardoor de atoomkern een klein beetje magnetisch is.” Dit magnetisme, de ‘spin’ in quantumtaal, is een soort kompasnaaldje dat verschillende kanten op kan wijzen. De stand van de spin op een bepaald moment bevat dus een stukje quantuminformatie.

Uiterst precies afstemmen

Een atoomkern zweeft in een – naar verhouding – enorme lege ruimte binnenin het atoom en trekt zich vrijwel niets aan van de buitenwereld. Maar er is één uitzondering: dankzij de uiterst zwakke ‘hyperfijninteractie’ kan de kernspin worden beïnvloed door de spin van een elektron dat om de kern heen draait. “Dat klinkt eenvoudiger dan het is,” zegt Lukas Veldman, die recent cum laude promoveerde op het onderzoek. “Die hyperfijninteractie is zó zwak dat hij alleen effect heeft in een miniem magneetveld dat bovendien uiterst precies moet worden afgestemd.”

Elektrische puls

Pas nadat aan alle eisen was voldaan, sloegen de onderzoekers met een korte elektrische puls de spin van het elektron uit het lood, waarna de spins van het elektron en de atoomkern gedurende een fractie van een microseconde gezamenlijk wankelden. “Precies zoals Schrödinger het had voorspeld,” aldus Veldman. Naast de experimenten deed hij ook berekeningen die de bewegingen verrassend nauwkeurig nabootsten. Dat de metingen zo goed overeenkomen met de voorspellingen toont aan dat er geen quantuminformatie verloren gaat in de wisselwerking tussen elektron en kern.

Quantuminformatie opslaan

Vanwege de goede afscherming van de omgeving wordt de kernspin geregeld geopperd als kandidaat voor het opslaan van quantuminformatie. Dit onderzoek brengt die toepassing mogelijk een stapje dichterbij. Maar dat is niet waarom het de onderzoekers in de eerste plaats te doen is. Otte: “Dit experiment geeft de mens invloed op de materie op een onvoorstelbaar kleine schaal. Dat alleen al maakt het wat mij betreft de moeite waard.”