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  • 重磅!终于破解58年前的难题,实现量子突破,并发现核电共振

    实验室里一次不愉快的事故,却带来了一个突破性的发现,不仅解决了一个存在了半个多世纪的问题,而且对量子计算机和传感器的发展具有重大影响。在表在《自然》期刊上的一项研究中,新南威尔士大学悉尼分校的一组工程师,完成了著名科学家尼古拉斯·布伦伯根在1961年首次提出的可能事情,但自那以后一直没有得到所有人的认可:仅使用电场控制单个原子核。

    重磅!终于破解58年前的难题,实现量子突破,并发现核电共振

    新南威尔士大学量子工程科学家教授安德里亚·莫雷洛说:这一发现意味着我们现在有了一条利用单原子自旋建造量子计算机的途径,而不需要任何振荡磁场来运行,此外还可以将这些原子核用作精密的电场和磁场传感器,或者用来回答量子科学中的基本问题。核自旋可以用电场而不是磁场来控制,这具有深远的影响。产生磁场需要大线圈和大电流,而物理定律规定很难将磁场限制在非常小的空间:

    一种新的范式:核电共振

    因为它们往往具有广泛的影响范围,另一方面,电场可以在微小电极的尖端产生,它们会从电极尖端急剧衰减。这将使控制放置在纳米电子器件中的单个原子变得容易得多。这一新发现撼动了核磁共振的范式,核磁共振是一种广泛应用于医学、化学或采矿等不同领域的技术。核磁共振是现代物理、化学、甚至医学或采矿中应用最广泛的技术之一。医生们用它来非常详细地观察病人的身体内部,而矿业公司则用它来分析岩石样本。

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    (上图所示)如何使用纳米级电极来局部控制硅芯片内单个原子核的量子态印象图。图片:UNSW/Tony Melov

    这一切都非常有效,但对于某些应用,需要使用磁场来控制和检测细胞核可能是一个缺点。莫雷洛教授用台球桌的类比来解释用磁场和电场控制核自转的不同之处。进行磁共振就像试图通过举起和摇晃整张桌子来移动台球桌上一个特定的球,研究人员会移动预定的球,但也会移动所有其他的球。电共振的突破,就像是递给你一根真正的台球杆,把球打到你想打的地方。

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    令人惊讶的是,莫雷洛教授完全没有意识到,他的团队已经破解了一个长期存在的问题,即找到一种利用电场控制核自旋的方法,1961年核磁共振先驱、诺贝尔奖获得者尼古拉斯·布伦伯根首次提出了这一假设。量子工程科学家教授安德里亚·莫雷洛说:我从事自旋共振研究已经有20年了,但老实说,我从来没有听说过“核电共振”这个概念。我们完全是在偶然的情况下‘重新发现’了这种效应,我从来没有想过要去寻找它。

    出于好奇的发现

    半个多世纪以来,整个核电共振领域几乎一直处于休眠状态,因为第一次尝试证明它太具挑战性了。研究人员最初打算对单个锑原子进行核磁共振,锑是一种具有很大核自旋的元素。研究的主要作者之一Serwan Asaad博士解释说: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设定,这纯粹是一个好奇心驱动的项目,没有考虑到应用,然而开始实验后,研究人员就意识到有些不对劲。

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    研究另一位主要作者文森特·穆里克博士说:这种核的行为非常奇怪,拒绝在某些频率上做出反应,但在其他频率上表现出强烈的反应,这让我们困惑了一段时间,直到有了一个‘尤里卡时刻’,意识到我们做的是电共振,而不是磁共振。事情是这样的:制造了一个包含锑原子和特殊天线装置,优化后产生了一个高频磁场来控制原子核。实验要求这个磁场相当强,所以给天线施加了很大的功率,然后研究人员却把它炸毁了!

    实验介绍&游戏开始

    通常情况下,对于磷这样较小的原子核,当炸毁天线时‘游戏结束了’,所以必须扔掉这个装置。但对于锑核,实验继续进行,事实证明:在损坏之后,天线产生了一个强大电场,而不是磁场,故而让研究人员‘重新发现’了‘核电共振’。在展示了用电场控制原子核的能力之后,研究人员使用复杂的计算机模型来了解电场究竟是如何影响原子核自旋的。这一研究强调了核电共振是一种真正的局部微观现象:

    重磅!终于破解58年前的难题,实现量子突破,并发现核电共振

    电场扭曲了原子核周围的原子键,使其重新定位。这一里程碑式的成果,将开启一座发现和应用的宝库,研究创建的系统,具有足够的复杂性,可以研究我们每天体验的经典世界,是如何从量子领域浮现出来的。此外,还可以利用它的量子复杂性来建造灵敏度大大提高的电磁场传感器。所有这一切,都是在一个由硅制成的简单电子设备中,通过施加在金属电极上的小电压来控制!

    重磅!终于破解58年前的难题,实现量子突破,并发现核电共振

    博科园|研究/来自:新南威尔士大学

    参考期刊《自然》

    DOI: 10.1038/s41586-020-2057-7

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