9 月 7 日消息，荷蘭代爾夫特理工大學研究團隊首次成功在實時條件下觀測到單個原子核的磁性自旋在不同狀態之間的翻轉，被認為是實現原子尺度量子探測的重要進展。

研究團隊利用掃描隧道顯微鏡（STM）針尖檢測單個原子內電子狀態變化，間接測量到原子核自旋（nuclear spin）的量子態翻轉現象。

STM 配備一根原子級銳利探針，能夠探測單個原子并成像到原子級細節。雖然 STM 不能直接感知原子核自旋，但研究人員借助核自旋與電子自旋之間的超精細相互作用，間接讀取到核自旋的狀態。

大約十年前，科學界首次利用 STM 成功跟蹤單電子的自旋。此次，代爾夫特團隊在此基礎上提出：是否可以用同樣的方法在時間維度上觀測核自旋。

研究團隊在鈦酸鍶基底上選取具核自旋特性的鈦原子作為觀測對象。STM 針尖通過感知原子外圍電子狀態，捕捉到核自旋在兩種量子態間的轉換信號。

論文第一作者艾弗特?斯托爾特描述稱：“信號在計算機屏幕上實時切換，對應核自旋在量子態間的往復翻轉。”測量數據顯示核自旋狀態平均維持約 5 秒，而同一原子的電子自旋壽命僅 100 納秒。

“這標志著首次在原子尺度實現核自旋的單次讀出（single-shot readout），”項目負責人桑德?奧特教授指出。該方法利用電子自旋與核自旋的超精細相互作用（hyperfine interaction），克服了 STM 無法直接探測核自旋的技術限制。

斯托爾特強調：“任何新實驗領域的第一步是能夠對其進行測量，而我們已經在原子尺度上實現了核自旋的測量。”