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实验意外或将颠覆核磁共振

时间: 2020年03月16日 | 作者: L. Gilbert | 来源: 原理
尼可拉斯·布伦柏根曾在1961年提出一个设想,他认为我们或许可以仅仅利用电场,就实现对单原子的原子核的控制。然而多年过去,这一目标一直未能实现。


最近,在一个实验室里发生了一个令人惊喜的意外事件,由此引发了物理学中的一项突破性发现。它的出现不仅解决了一个长达半个多世纪的问题,而且对量子计算机和传感器的发展产生了重大影响。


因激光光谱学而获得诺贝尔物理学奖的核磁共振先驱尼可拉斯·布伦柏根(Nicolaas Bloembergen)曾在1961年提出一个设想,他认为我们或许可以仅仅利用电场,就实现对单原子的原子核的控制。然而多年过去,这一目标一直未能实现。


直到最近,在一项发表于《自然》杂志上的论文中,一个澳大利亚的工程师团队宣布他们意外地实现了这一壮举。


论文的通讯作者、量子工程学教授Andrea Morello介绍说,这一发现动摇了核磁共振的范式:“这一发现意味着,我们现在有了一种可以利用单原子自旋来建造量子计算机的方法,这种方法的运作无需任何振荡磁场。此外,我们可以利用这些原子核作为极其精确的电场和磁场传感器,或者用它们来回答量子科学中的基本问题。”


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○ 论文的三位主要作者:Andrea Morello教授、Vincent Mourik博士、Serwan Asaad博士。| 图片来源:UNSW


核磁共振是现代物理学、化学,甚至医学和采矿中最为广泛使用的技术之一。医生可以用它来详细查看病人体内的情况,采矿产业可以用它来分析岩石样本。可以说,核磁共振对许多应用来说都是非常有效的技术。然而,对于某些特定的应用来说,需要依赖磁场来对原子核进行控制和探测就成了一个缺点。


从应用角度来看,能够仅仅利用电场(而非磁场)来控制核自旋,都是一件影响深远的突破。磁场的产生需要大线圈和大电流,它们的效应范围往往很广,要把磁场限制在非常小的空间里是非常困难的操作。而与之相反的是,电场可以在一个微小电极的尖端产生,它可以在远离电极尖端的位置急剧下降。这种特性使得利用电场来控制纳米电子设备中的单个原子变得容易得多。


Morello教授用台球桌的类比来解释磁场和电场控制核自旋的区别:“磁共振成像就像是试图通过举起和摇动整张台球桌来移动桌上的一个特定台球。除了移动预定的球之外,也会移动其他所有的球。电共振这一突破就像拿着一根真正的台球杆,只把想要打的球打到想要的位置。”


在回顾这一发现的过程时,Morello教授介绍道,当时他完全没有意识到,他的团队已经解决这个长期以来一直困扰着物理学家的用电场来控制核自旋的难题。


“我研究自旋共振已经有20年的时间了,但说实话,我从来没听说过核电共振这个概念,”Morello教授说。“我们对这一效应的‘重新发现’纯属偶然,因为我从一开始就没有想过要去寻找它。在首次对核电共振的研究尝试就被证明这是一项太具有挑战性的任务之后,半个多世纪以来,整个核电共振领域几乎都处于休眠状态。”


一开始,研究人员在锑(Sb)原子上进行核磁共振,锑是一种具有很大的核自旋的元素。研究的第一作者Serwan Asaad解释道:“我们最初的目标是探索量子世界和经典世界之间的边界,这是由核自旋的混沌行为所决定的。这纯粹是一个由好奇心驱动的研究项目,并没有考虑到它的应用。”


然而,当实验开始之后,他们便很快意识到有些地方似乎不对。他们发现核子的行为非常奇怪——它们会在一些特定的频率上拒绝做出反应,但又在别的一些频率上却表现出强烈的反应。


Asaad说:“这让我们困惑了一段时间,直到有天我们突然‘灵光一闪’,才意识到我们做的是电共振,而不是磁共振。”


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○ 艺术构想图:利用纳米尺度的电极来局部控制硅片内的单个锑原子核的量子态。| 图片来源:Tony Melov / UNSW


他们制造了一个由锑原子和一个特殊天线构成的装置,这个装置被优化后,可以产生高频磁场来控制原子核。Asaad介绍说:“由于实验需要很强的磁场,所以我们给天线输入了很大的功率,然后就把它给炸毁了!”


在通常情况下,如果实验所使用的是如磷一类的较小原子核,那么在天线被炸毁之时,游戏就已经结束——这个设备就不能再被使用了。然而在使用了锑核的情况下,实验居然得以继续进行。他们发现,在天线被毁之后,它产生了一个强电场,而非磁场。这直接导致了研究人员对核电共振的重新发现。


在展示了用电场控制原子核的能力之后,研究人员利用复杂的计算机模型来了解电场是如何精确地影响原子核的自旋的。这一工作凸显出了核电共振是一种真正局部的且微观的现象:电场扭曲了原子核周围的原子键,使其重新定向。


Morello教授说:“这一具有里程碑意义的结果将开启一个发现和应用的宝库。我们所创造的系统具有足够的复杂性来让我们研究经典世界是如何从量子领域浮现出来的。此外,我们可以利用它的量子复杂性来建造灵敏度得到了大大改善的电磁场传感器。所有的这一切,都可以在一个简单的硅制电子设备里,用施加在金属电极上的微小电压来控制。”


参考来源:

https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/engineers-crack-58-year-old-puzzle-way-quantum-breakthrough