核電共振解決了長達半個多世紀難題的新的量子突破

（文章來源：量子認知）

我們許多人聽說過核磁共振，它廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、采礦等領(lǐng)域。醫(yī)生使用它非常詳細地查看患者體內(nèi)，采礦公司使用它來分析巖石樣品。核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，簡稱NMR）是基于原子尺度的量子磁物理性質(zhì)，通過磁場來控制核自旋。

但是許多人一定從沒聽說過核電共振。核電共振（英文：Nuclear Electric Resonance)，是通過電場而不是磁場來控制核自旋。這一概念最先是1961年由磁共振的先驅(qū)、諾貝爾獎獲得者、尼古拉·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）首次提出。但此后卻使所有人望而卻步，因為太難實現(xiàn)：僅使用電場來控制單個原子的原子核。

現(xiàn)在，悉尼新南威爾士大學(xué)的科學(xué)家們卻開創(chuàng)了這個先例，僅使用電場而不是磁場來控制單個原子的原子核，取得了突破性發(fā)現(xiàn)，解決了長達半個多世紀的這一難題。而且，令人驚訝的是，研究團隊開始并沒意識到他們這一發(fā)現(xiàn)，即尋找一種方法來控制電場的核自旋。和許多重大發(fā)明一樣，這一突破性發(fā)現(xiàn)卻是在實驗室中的一次偶然事故所導(dǎo)致的。如下面示意圖所示，科學(xué)家無意間使用了納米級電極局部控制硅芯片內(nèi)單個核的量子態(tài)。

新南威爾士大學(xué)量子工程科學(xué)教授安德里亞·莫雷洛（Andrea Morello）說：“這一發(fā)現(xiàn)意味著我們現(xiàn)在有了一條使用單原子自旋來構(gòu)建量子計算機的途徑，而無需任何振蕩磁場來進行操作?！?“此外，我們可以將這些原子核用作電場和磁場的精確傳感器，或者回答量子科學(xué)中的基本問題?！?/p>

可以通過電場而不是磁場來控制核自旋具有深遠的影響。產(chǎn)生磁場需要大的線圈和高電流，而物理定律表明很難將磁場限制在很小的空間中，因為它們往往具有很大的影響范圍。但是電場可以在微小電極的尖端產(chǎn)生，并且電場會從尖端急劇下降。這將使對放置在納米電子器件中的單個原子的控制更加容易。

莫雷洛教授說，這一發(fā)現(xiàn)改變了核磁共振的范式。他使用臺球桌的類比來解釋用磁場和電場控制核自旋之間的區(qū)別：“進行磁共振就像試圖通過抬起并搖動整個桌子來移動臺球上的特定球。” “我們將移動預(yù)期的球，但我們還將移動其他所有球?！薄半姽缠Q的突破就像是將一根實際的臺球棍交給要擊中的球一樣?！?/p>

莫雷洛教授說：“我從事自旋共振已經(jīng)20年了，但老實說，我從未聽說過核電共振?！?“我們完全是偶然地'發(fā)現(xiàn)'了這種效應(yīng)，我從來沒有想到過會發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)。半個多世紀以來，核共振的整個領(lǐng)域幾乎都處于休眠狀態(tài)，如此嘗試會具有相當大的挑戰(zhàn)性。”

研究人員最初計劃對單個銻原子進行核磁共振，該銻原子具有較大的核自旋。研究人員解釋說：“我們最初的目標是探索由核自旋的混沌行為所設(shè)定的量子世界與古典世界之間的邊界。這純粹是出于好奇驅(qū)動的項目，無需考慮任何應(yīng)用程序?！薄暗?，一旦開始實驗，我們就意識到出了點問題。核的行為非常奇怪，拒絕在某些頻率下做出反應(yīng)，但對其他頻率表現(xiàn)出強烈的反應(yīng)。”“這使我們困惑了一段時間，直到后來我們才醒然大悟，這才意識到我們是在做電共振而不是磁共振。”

研究人員解釋說：“事情是這樣的，我們制造了一個包含銻原子和特殊天線的設(shè)備，并對其進行了優(yōu)化以創(chuàng)建一個高頻磁場來控制原子核。我們的實驗要求該磁場必須非常強，所以在天線上施加了很強的電能，結(jié)果發(fā)生了爆炸！”研究人員說：“通常，對于較小的如磷的原子核，當天線炸毀時，意味著就是'游戲結(jié)束'，必須扔掉設(shè)備?！钡?，有了銻原子核，實驗可繼續(xù)進行。損壞后的天線產(chǎn)生的是強電場而不是磁場，所以我們‘重新發(fā)現(xiàn)’了核共振?！?/p>

在展示了利用電場控制原子核的這一現(xiàn)象之后，研究人員使用了復(fù)雜的計算機模型來了解電場究竟如何影響原子核的自旋。這項工作突顯了核電共振是一種真正的局部微觀現(xiàn)象：電場使原子核周圍的原子鍵變形，從而使其自身重新定向。
（責(zé)任編輯：fqj）