Физики нашли способ записать два бита в одном атоме
Ученым удалось создать систему из одного атома железа на подложке, в которой можно управлять орбитальным моментом атома и возбуждением его спиновых состояний независимо друг от друга. Для управления системой исследователи использовали иголку сканирующего туннельного микроскопа, при взаимодействии которой с атомом происходил переворот его орбитального момента без возбуждения спиновых состояний. В таких условиях у атома оказалось две степени свободы, связанных с магнитным полем, что в будущем может быть использовано для создания особо емких систем хранения информации с плотностью записи два бита на один атом. Статья опубликована в журнале npj Quantum Materials.
Уменьшение размера одного бита до масштабов атома позволило бы умещать огромные массивы данных в крайне небольших носителях. Потенциально такие системы можно создать с использованием управляемых магнитным полем спинов отдельных атомов S — векторных сумм собственных моментов импульса элементарных частиц, входящих в их состав. В качестве бита в таких системах выбирают именно спиновые состояния, потому что орбитальный момент каждого атома L (его момент импульса как целого) в реальных образцах подавляется из-за совокупности спин-орбитального взаимодействия и кристаллического поля.
Но даже в случае, когда L атома в такой системе не равен нулю, спин-орбитальное взаимодействие приводит к связи L и Sв суперпозицию, в которой сохраняется лишь полный момент импульса системы L + S, а независимые возбуждения L и S невозможны. Для хранения информации в орбитальном состоянии атома, в свою очередь, нужно уметь сохранять L и иметь возможность управлять им, не влияя на спиновые состояния. Тогда спиновое и орбитальное состояния могут играть роль нулей и единиц, а сам атом мог бы выступать в качестве носителя информации в размере двух бит, каждый из которых соответствует одной степени свободы системы (по одному биту на спин и орбитальный момент).
Именно такую систему из одного атома, в котором можно независимо друг от друга возбуждать спиновые и орбитальные состояния, удалось создать Расу Реджали (Rasa Rejali) из Делфтского технического университета. Для этого физик с коллегами поместили одиночный атом железа над магнитно-нейтральным атомом азота в составе подложки из Cu2N, тем самым получив систему с практически свободными орбитальным моментом и спином. Изучать атом и манипулировать им физикам позволяла игла сканирующего электронного микроскопа.
Орбитальное состояние одиночного атома железа также изменялось с помощью сканирующего туннельного микроскопа в процессе, похожим на эффект Эйнштейна — де Хааза: орбитальный момент переворачивался при неупругом туннелировании электрона между атомом и иглой устройства. Необходимое для наблюдения эффекта положение атомов в пространстве ученые вычислили с помощью теории функциональной плотности. Анализируя спектр дифференциальной проводимости системы во внешнем магнитном поле, физики показали, что в атоме независимо друг от друга происходили изменение орбитального момента атома ΔLz = 4 и ΔSz = 1.
Авторы отмечают, что предложенный ими способ независимого изменения орбитальных и спиновых состояний одиночного атома еще далек от практической реализации. Тем не менее схожесть природы спиновых и орбитальных состояний дает надежду на то, что в будущем орбитальным моментом атомов можно будет управлять так же просто, как сейчас — спинами. В этом случае вполне реальными могут стать носители информации, в которых каждый атом будет выступать в роли не одного, а двух битов, что еще сильнее увеличит потенциально максимальную плотность записи данных.
Ранее мы уже рассказывали о том, как физики научились записывать информацию с плотностью в один бит на несколько атомов хлора. Позже исследователи улучшили этот показатель до максимального (как тогда казалось) значения в один бит на один атом.
Никита Козырев
Он расходится с последними теоретическими предсказаниями со статистической значимостью в 5σ
Физики представили новые результаты эксперимента Muon g-2 в Фермилабе по измерению аномального магнитного момента мюона. Согласно анализу данных двух новых сеансов измерений, физикам удалось больше чем в два раза уменьшить неопределенность измеренного значения. С учетом всех собранных Muon g-2 экспериментальных данных, новый результат противоречит последним предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5,0σ. Согласно авторам статьи, препринт которой доступен на сайте эксперимента, статистическая значимость расхождения, вероятно, ослабнет, если включить в расчет предсказаний недавно опубликованные теоретические и экспериментальные результаты других коллабораций. Также о результатах эксперимента рассказывается на сайте ИЯФ имени Будкера, а запись научного семинара с докладом о последних результатах Muon g-2 доступна на YouTube.Значение магнитного момента мюона — одна из немногих напрямую измеряемых аномалий в современной физике, которая может указывать на существования физики за пределами Стандартной модели. Дело в том, что в это значение вносит вклад взаимодействие этого тяжелого лептона с существующими в нашей модели Вселенной виртуальными частицами. За счет большой массы мюона такой вклад различим на фоне хорошо предсказываемых электромагнитных поправок. Он же позволяет судить о существовании потенциально неоткрытых полей и частиц: расхождения измеренного значения магнитного момента и теоретических расчетов может указывать на неполноту теории. Однако сложность таких измерений в том, что относительная разница измеренного экспериментом и предсказанного теорией значений может проявляться только в шестом знаке после запятой. Для достижения такой точности измерений необходим большой массив экспериментальных данных, а также уверенность в том, что из их анализа были исключены любые систематические вклады и неопределенности в теории. Кроме того, сами предсказания Стандартной модели обладают погрешностью и зависят от параметров существующих в ней частиц и процессов. Два года назад мы уже рассказывали о природе аномального магнитного момента мюона и о том, как эксперимент Muon g-2 впервые увидел расхождение теории и эксперимента. Тогда в совокупности с данными двадцатилетней давности эксперимента-предшественника E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории статистическая значимость расхождения составила 4,2 стандартных отклонения (или 4,2σ), чего лишь немного не хватило до общепринятого порога официального открытия в 5σ. Вчера участники коллаборации Muon g-2, в том числе физики из институтов Великобритании, Германии, Италии, Китая, России и США, представили результаты анализа данных двух новых сеансов измерений, которые состоялись в 2019 и 2020 годах. Полученное значение аномального магнитного момента совпало в пределах погрешности с результатами за первый сеанс измерений и эксперимента E821, а относительную точность измерения удалось уменьшить больше чем в два раза: с 0,46 до 0,20 миллионных долей. Как и в первом сеансе набора данных, магнитный момент мюона физики измеряли через разность циклотронной частоты и частоты спиновой прецессии поляризованных антимюонов (частица с противоположным по знаку мюону зарядом, но теми же свойствами) в накопительном кольце в сильном магнитном поле. Эта разность частот пропорциональна абсолютной величине аномального магнитного момента мюона и магнитному полю. Поэтому непрерывно измеряя магнитные поля внутри кольца с помощью ЯМР-проб, физики могли получить искомое значение магнитного момента. При этом сам антимюон в накопительном кольце достаточно быстро распадался на два нейтрино и позитрон, который за счет меньшей массы отклонялся в сторону внутреннего радиуса накопительного кольца, покрытого калориметрами. Искомую разность частот измеряли по колебаниям в количестве электронов, зарегистрированных с помощью этих детекторов. Столь сильно уменьшить погрешность измерений физикам удалось не только за счет увеличения количества набранных данных в 5 раз, но и благодаря оптимизации установки и процесса анализа данных. К примеру, ученые обернули кольцо в теплоизолирующий кожух и улучшили систему кондиционирования экспериментального холла, чтобы уменьшить колебания температуры, которые влияли на магнитное поле внутри установки. Большой вклад также внесли улучшение хранения пучка в кольце и оптимизация квадрупольных и дипольных магнитов в установке с обновленной техникой измерения их влияния на динамику пучка. В результате систематическая погрешность измерений составила всего 0,07 миллионных долей, что уже меньше цели эксперимента в 0,1 миллионных долей. К 2025 году физики собираются достигнуть цель и по статистической погрешности за счет обработки данных еще 3 сеансов набора данных, проведенных в 2021-2023 годах. Формально, с учетом всех собранных данных, измеренное экспериментом Muon g-2 значение аномального магнитного момента мюона уже сейчас противоречит предсказаниям Стандартной модели со статистической значимостью в 5σ, а с учетом данных эксперимента E821 — в 5,1σ. Однако участники коллаборации предостерегают от поспешных выводов: это сравнения с устаревшим расчетом теоретической группы эксперимента, опубликованным в 2020 году. По мнению ученых, недавно опубликованные данные эксперимента КМД-3 в Институте ядерной физики имени Будкера и теоретические расчеты коллаборации BMW должны повлиять на теоретические предсказания и потенциально сблизить их с экспериментально полученным значением. Еще одно прямое указание на Новую физику — переносчик слабого взаимодействия W-бозон. Год назад мы рассказывали о том, что измеренное коллаборацией CDF значение массы этой частицы разошлось с предсказаниями Стандартной модели на 7 стандартных отклонений.