科学家首次实时观测到原子核自旋翻转，突破量子测量极限

9 月 7 日消息，荷兰代尔夫特理工大学研究团队首次成功在实时条件下观测到单个原子核的磁性自旋在不同状态之间的翻转，被认为是实现原子尺度量子探测的重要进展。

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研究团队利用扫描隧道显微镜（STM）针尖检测单个原子内电子状态变化，间接测量到原子核自旋（nuclear spin）的量子态翻转现象。

STM 配备一根原子级锐利探针，能够探测单个原子并成像到原子级细节。虽然 STM 不能直接感知原子核自旋，但研究人员借助核自旋与电子自旋之间的超精细相互作用，间接读取到核自旋的状态。

大约十年前，科学界首次利用 STM 成功跟踪单电子的自旋。此次，代尔夫特团队在此基础上提出：是否可以用同样的方法在时间维度上观测核自旋。

研究团队在钛酸锶基底上选取具核自旋特性的钛原子作为观测对象。STM 针尖通过感知原子外围电子状态，捕捉到核自旋在两种量子态间的转换信号。

论文第一作者艾弗特・斯托尔特描述称：“信号在计算机屏幕上实时切换，对应核自旋在量子态间的往复翻转。”测量数据显示核自旋状态平均维持约 5 秒，而同一原子的电子自旋寿命仅 100 纳秒。

“这标志着首次在原子尺度实现核自旋的单次读出（single-shot readout），”项目负责人桑德・奥特教授指出。该方法利用电子自旋与核自旋的超精细相互作用（hyperfine interaction），克服了 STM 无法直接探测核自旋的技术限制。

斯托尔特强调：“任何新实验领域的第一步是能够对其进行测量，而我们已经在原子尺度上实现了核自旋的测量。”

查询发现，相关研究成果已于 8 月 21 日发表在《自然-通讯》上（DOI: 10.1038 / s41467-025-63232-5）。