Квантовые эффекты легко разрушаются от шумов, создаваемых окружением исследуемых объектов. Чтобы минимизировать помехи, физики создают небольшие контролируемые системы, иногда состоящие из пары атомов, которые приходится тщательно изолировать от окружающей среды — охлаждать, помещать в полную темноту и тишину. Крупные системы лучше подходят для практических применений, но в них сложнее сохранять квантовую природу происходящего из-за шумов, связанных с масштабированием объекта изучения.
Исследователи из Университета Джонса Хопкинса (США) разработали подход, значительно упрощающий изучение квантового мира. Созданная ими система работает макроскопическими спиновыми ансамблями, позволяет следить за их эволюцией во времени и напрямую наблюдать флуктуации спинов. Механизм исследования при этом не разрушает квантовые эффекты в системе. Чувствительность подхода настолько высока, что приближается к фундаментальному пределу, установленному законами квантовой механики. Статья об этом опубликована в журнале Nature Physics.
В основе экспериментального устройства лежит сверхпроводящая схема, данные с которой считывает СКВИД (сверхпроводящий квантовый интерферометр), чрезвычайно чувствительный детектор магнитного поля. Ученые поместили внутрь приемной катушки ядра фтора-19 в 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.
Ученые использовали естественные тепловые флуктуации в сверхпроводящей микросхеме в качестве единственной движущей силы. Они настроили магнитное поле так, что частота спинового резонанса совпадала с резонансной частотой схемы. Это позволило исследователям понимать происходящее со спинами по изменению свойств сверхпроводящей схемы.
Измеренные флуктуации спиновых углов точно совпадали с теоретическими расчетами, масштабировались ожидаемым образом в зависимости от числа спинов и их поляризации. Это подтверждает, что ученые увидели именно шум квантовой спиновой проекции, а не паразитные шумы. Наблюдение продолжалось 26 часов.
«Предыдущие эксперименты приходили к той же точности при использовании ячеек с атомным паром, при которых в каждой ячейке находилось около 100 миллиардов атомов. Мы же достигли квантового предела точности на твердом образце с почти пятью секстиллионами (5×10²¹) спинов. Наименьший измеренный угол флуктуации составил всего девять нанорадиан — это чрезвычайно точное измерение. Примерно таков угловой размер человека, стоящего на Луне, если смотреть на него с Земли», — рассказал Александр Сушков (Alexander Sushkov), старший автор статьи.
По мнению ученых, их систему можно использовать для реализации неинвазивной спектроскопии магнитного резонанса, что даст исследовать материалы и не изменяя их свойства воздействием самого исследования. Это важно при работе со взрывоопасными и сверхчувствительными веществами.