新南威爾士大學(xué)研究團(tuán)隊(duì) 3 月 11 日在《自然》發(fā)文罢维，報(bào)告成功實(shí)現(xiàn)了核電共振纵苛，僅使用電場改變單個(gè)原子核的量子態(tài)。
新南威爾士大學(xué)研究團(tuán)隊(duì) 3 月 11 日在《自然》發(fā)文言津，報(bào)告成功實(shí)現(xiàn)了核電共振，僅使用電場改變單個(gè)原子核的量子態(tài)取试。這一構(gòu)想最初由諾獎(jiǎng)得主尼古拉斯·布隆伯根(Nicolaas Bloembergen)在 1961 年提出悬槽，但此前從未有人實(shí)現(xiàn)。
莫萊羅教授瞬浓、穆爾瑞克博士以及阿薩德博士初婆。圖片來源：UNSW
如果核電共振能夠得到廣泛應(yīng)用，它或許將動(dòng)搖磁共振在科研和應(yīng)用中的“壟斷”地位猿棉，甚至對量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)產(chǎn)生重要作用磅叛。
對于研究團(tuán)隊(duì)而言，這個(gè)成果完全是個(gè)意外驚喜萨赁。據(jù)悉弊琴，一次實(shí)驗(yàn)室事故差點(diǎn)燒毀了他們的儀器，卻也讓他們實(shí)現(xiàn)了諾獎(jiǎng)得主尼古拉斯·布隆伯根在 58 年前提出的一個(gè)設(shè)想：用電場操縱單個(gè)原子核杖爽。
半個(gè)多世紀(jì)以來敲董，整個(gè)核電共振領(lǐng)域幾乎一直處于休眠狀態(tài)，因?yàn)榈谝淮螄L試證明它太具挑戰(zhàn)性了慰安。研究人員最初打算對單個(gè)銻原子進(jìn)行核磁共振腋寨，銻是一種具有很大核自旋的元素。研究的第一作者阿薩德博士介紹說化焕，我們的最初目標(biāo)是探索量子世界和經(jīng)典世界之間的邊界萄窜，這是由核自旋的混沌行為設(shè)定，這純粹是一個(gè)好奇心驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目，沒有考慮到應(yīng)用查刻，然而開始實(shí)驗(yàn)后键兜，研究人員就意識(shí)到有些不對勁。
另一位主要作者文森特·穆里克博士說：這種核的行為非常奇怪赖阻，拒絕在某些頻率上做出反應(yīng)蝶押，但在其他頻率上表現(xiàn)出強(qiáng)烈的反應(yīng)，這讓我們困惑了一段時(shí)間火欧，直到有了一個(gè)‘尤里卡時(shí)刻’棋电，意識(shí)到我們做的是電共振，而不是磁共振苇侵。事情是這樣的：研究人員制造了一個(gè)包含銻原子和特殊天線裝置赶盔，優(yōu)化后產(chǎn)生了一個(gè)高頻磁場來控制原子核。實(shí)驗(yàn)要求這個(gè)磁場相當(dāng)強(qiáng)榆浓，所以給天線施加了很大的功率于未，然后研究人員卻把它炸毀了!
通常情況下，對于磷這樣較小的原子核陡鹃，當(dāng)炸毀天線時(shí)‘游戲結(jié)束了’烘浦，所以必須扔掉這個(gè)裝置。但對于銻核萍鲸，實(shí)驗(yàn)繼續(xù)進(jìn)行闷叉，事實(shí)證明：在損壞之后，天線產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)大電場脊阴，而不是磁場握侧，故而讓研究人員‘重新發(fā)現(xiàn)’了‘核電共振’。在展示了用電場控制原子核的能力之后嘿期，研究人員使用復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模型來了解電場究竟是如何影響原子核自旋的品擎。這一研究證明了核電共振是一種真正的局部微觀現(xiàn)象：電場扭曲了原子核周圍的鍵，迫使它轉(zhuǎn)向备徐。
用磁場和電場控制原子自旋萄传，有怎樣的差異?莫萊羅教授用桌球臺(tái)進(jìn)行比喻，他說：“磁共振就像舉起整張桌子搖晃它坦喘，來控制某一個(gè)球盲再。我們確實(shí)移動(dòng)能那個(gè)球，但同時(shí)也會(huì)移動(dòng)其他的球瓣铣。而電共振是一個(gè)突破答朋，這相當(dāng)于給你一支臺(tái)球桿，你能用它精確地把某個(gè)球打到期望的地方棠笑∶瓮耄”
如今磁共振技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、采礦等領(lǐng)域洪规，而論文作者們指出印屁，如果要在納米尺度上進(jìn)行應(yīng)用，電共振的優(yōu)勢遠(yuǎn)大于磁共振斩例。磁場的產(chǎn)生通常依靠大型線圈和強(qiáng)大的電流雄人，并且磁場很難被約束在小范圍內(nèi);相比之下，一個(gè)小型電極的尖端就可能產(chǎn)生很強(qiáng)的電場念赶，并且電場更容易被約束或屏蔽础钠。
研究作者們認(rèn)為，如果將能夠用電場控制的原子核用量子點(diǎn)連接起來叉谜，并實(shí)現(xiàn)規(guī)钠煊酰化，或許有助于開發(fā)出基于原子核自旋和電子自旋的硅量子計(jì)算機(jī)停局，且不依靠共振磁場運(yùn)行很钓。
“這一發(fā)現(xiàn)意味著我們找到了一種方法，能夠利用單原子自旋制造不依靠共振磁場運(yùn)行的量子計(jì)算機(jī)董栽，”莫萊羅教授說码倦，“我們還能利用原子核作為精度極高的傳感器，用于探測電場和磁場锭碳，甚至回答量子科學(xué)中的基本問題叹洲。”
相關(guān)論文：
Asaad, S., Mourik, V., Joecker, B. et al. Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon. Nature579, 205–209 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2057-7
