Щаслива випадковість призвела до проривного відкриття, яке не тільки вирішило проблему, яка стояла перед вченими понад півстоліття, а й має важливі наслідки для розробки квантових комп'ютерів і датчиків.
У дослідженні, опублікованому в журналі Nature, команда з інженерів UNSW Сідней зробила те, що вперше було запропоновано в 1961 році, але з тих пір так і не реалізовано: контроль ядра атома тільки електричними полями.
«Це відкриття означає, що у нас тепер є шлях для створення квантових комп'ютерів, що використовують одноатомні спини, без необхідності будь-якого коливального магнітного поля для їх роботи», - говорить професор UNSW Андреа Морелло.
«Більш того, ми можемо використовувати ці ядра в якості вишукано точних датчиків електричних і магнітних полів або для відповідей на фундаментальні питання квантової науки».
Те, що спин атомного ядра може контролюватися електричними, а не магнітними полями, має далекосяжні наслідки. Генерація магнітних полів вимагає великих котушок і великих струмів, в той час як закони фізики диктують, що важко обмежити магнітні поля дуже маленькими просторами - вони мають тенденцію мати широку область впливу.
Електричні поля, з іншого боку, можуть створюватися на кінчику крихітного електрода. Це значно спрощує управління окремими атомами, розміщеними в наноелектронних пристроях.
Нова парадигма
Андреа Морелло каже, що відкриття струшує парадигму ядерного магнітного резонансу, широко використовуваного методу в таких різних областях, як медицина, хімія або гірнича промисловість.
«Ядерний магнітний резонанс є одним з найбільш поширених методів у сучасній фізиці, хімії і навіть медицині або гірській справі», - говорить він. "Лікарі використовують його для детального спостереження за тілом пацієнта, в той час як гірничодобувні компанії використовують його для аналізу зразків гірських порід. Все це працює дуже добре, але для певних застосувань необхідність використання магнітних полів для контролю і виявлення ядер може бути недоліком ".
Професор Морелло використовує аналог більярдного столу, щоб пояснити різницю між управлінням ядерними спинами за допомогою магнітного та електричного полів.
«Виконання магнітного резонансу схоже на спробу перемістити певну кулю на більярдному столу, піднявши і потрясти весь стіл», - говорить він. «Ми перемістимо намічену кулю, але ми також перемістимо і всі інші».
«Прорив для електричного резонансу подібний до того, як якщо використовувати більярдний кий, щоб вдарити по м'ячу саме там, де ти цього хочеш зробити, а не трясти весь стіл».
Дивно, але професор Морелло зовсім не усвідомлював, що його команда вирішила давню проблему в пошуку способу управління ядерними спинами за допомогою електричних полів, вперше запропоновану в 1961 році піонером магнітного резонансу і нобелівським лауреатом Ніколасом Блумбергеном.
«Я працював над спиновим резонансом протягом 20 років свого життя, але, чесно кажучи, я ніколи не чув про цю ідею ядерного електричного резонансу», - говорить професор Морелло. "Ми" заново відкрили "цей ефект випадково - мені ніколи б не спало на думку його шукати. Ціла область ядерного електричного резонансу не діяла протягом понад півстоліття після перших спроб її продемонструвати.
Спочатку дослідники вирішили провести ядерно-магнітний резонанс на одному атомі сурьми - елементі, що володіє великим ядерним спином. Один з провідних авторів роботи, доктор Серван Асаад, пояснює: "Наша початкова мета полягала в тому, щоб дослідити кордон між квантовим світом і класичним світом, який задається хаотичною поведінкою ядерного спину. Це була чиста цікавість, без додатку ".
"Однак, як тільки ми почали експеримент, ми зрозуміли, що щось не так. Ядро поводилося дуже дивно, відмовляючись відповідати на певних частотах, але демонструючи сильну відповідь на інших ".
«Це спантеличило нас на деякий час, поки у нас не настав» момент еврики «, і ми не усвідомили, що замість магнітного резонансу ми проводимо електричний резонанс».
"Сталося те, що ми виготовили пристрій, що містить атом сурьми і спеціальну антену, оптимізовану для створення високочастотного магнітного поля для управління ядром атома. Наш експеримент вимагає, щоб це магнітне поле було досить сильним Таким чином, ми подали багато енергії на антену і підірвали її! "
"Як правило, з більш дрібними ядрами, такими як фосфор, коли ви підриваєте антену, гра закінчена, і ви повинні викинути пристрій. Але з ядром сурьми експеримент продовжував працювати, і після пошкодження антена створила сильне електричне поле замість магнітного. Тому ми "заново відкрили" ядерний електричний резонанс ".
Після демонстрації здатності керувати ядром за допомогою електричних полів, дослідники використовували складне комп'ютерне моделювання, щоб зрозуміти, як саме електричне поле впливає на обертання ядра. Ці зусилля підкреслили, що ядерний електричний резонанс є дійсно локальним мікроскопічним явищем: електричне поле спотворює атомні зв'язки навколо ядра, змушуючи його переорієнтуватися.
«Цей знаменний результат відкриє скарбницю нових знань і додатків», - каже професор Морелло. "Створена нами система має достатню складність для вивчення того, як класичний світ, з яким ми стикаємося кожен день, виходить з квантової сфери. Більш того, ми можемо використовувати її квантову складність для створення датчиків електромагнітних полів з значно поліпшеною чутливістю. І все це в простому вигляді. Електронний пристрій, виконаний з кремнію, з невеликою напругою, прикладеною до металевого електроду! "