2020-03-12 14:40:39 博科園

實驗室裡一次不愉快的事故，卻帶來了一個突破性的發現，不僅解決了一個存在了半個多世紀的問題，而且對量子計算機和傳感器的發展具有重大影響。在表在《自然》期刊上的一項研究中，新南威爾士大學悉尼分校的一組工程師，完成了著名科學家尼古拉斯·布倫伯根在1961年首次提出的可能事情，但自那以後一直沒有得到所有人的認可：僅使用電場控制單個原子核。

新南威爾士大學量子工程科學家教授安德里亞·莫雷洛說：這一發現意味著我們現在有了一條利用單原子自旋建造量子計算機的途徑，而不需要任何振盪磁場來運行，此外還可以將這些原子核用作精密的電場和磁場傳感器，或者用來回答量子科學中的基本問題。核自旋可以用電場而不是磁場來控制，這具有深遠的影響。產生磁場需要大線圈和大電流，而物理定律規定很難將磁場限制在非常小的空間：

一種新的範式：核電共振

因為它們往往具有廣泛的影響範圍，另一方面，電場可以在微小電極的尖端產生，它們會從電極尖端急劇衰減。這將使控制放置在納米電子器件中的單個原子變得容易得多。這一新發現撼動了核磁共振的範式，核磁共振是一種廣泛應用於醫學、化學或採礦等不同領域的技術。核磁共振是現代物理、化學、甚至醫學或採礦中應用最廣泛的技術之一。醫生們用它來非常詳細地觀察病人的身體內部，而礦業公司則用它來分析岩石樣本。

（上圖所示）如何使用納米級電極來局部控制硅芯片內單個原子核的量子態印象圖。圖片：UNSW/Tony Melov

這一切都非常有效，但對於某些應用，需要使用磁場來控制和檢測細胞核可能是一個缺點。莫雷洛教授用檯球桌的類比來解釋用磁場和電場控制核自轉的不同之處。進行磁共振就像試圖通過舉起和搖晃整張桌子來移動檯球桌上一個特定的球，研究人員會移動預定的球，但也會移動所有其他的球。電共振的突破，就像是遞給你一根真正的檯球杆，把球打到你想打的地方。

令人驚訝的是，莫雷洛教授完全沒有意識到，他的團隊已經破解了一個長期存在的問題，即找到一種利用電場控制核自旋的方法，1961年核磁共振先驅、諾貝爾獎獲得者尼古拉斯·布倫伯根首次提出了這一假設。量子工程科學家教授安德里亞·莫雷洛說：我從事自旋共振研究已經有20年了，但老實說，我從來沒有聽說過“核電共振”這個概念。我們完全是在偶然的情況下‘重新發現’了這種效應，我從來沒有想過要去尋找它。

出於好奇的發現

半個多世紀以來，整個核電共振領域幾乎一直處於休眠狀態，因為第一次嘗試證明它太具挑戰性了。研究人員最初打算對單個銻原子進行核磁共振，銻是一種具有很大核自旋的元素。研究的主要作者之一Serwan Asaad博士解釋說：我們最初的目標是探索量子世界和經典世界之間的邊界，這是由核自旋的混沌行為設定，這純粹是一個好奇心驅動的項目，沒有考慮到應用，然而開始實驗後，研究人員就意識到有些不對勁。

研究另一位主要作者文森特·穆裡克博士說：這種核的行為非常奇怪，拒絕在某些頻率上做出反應，但在其他頻率上表現出強烈的反應，這讓我們困惑了一段時間，直到有了一個‘尤里卡時刻’，意識到我們做的是電共振，而不是磁共振。事情是這樣的：製造了一個包含銻原子和特殊天線裝置，優化後產生了一個高頻磁場來控制原子核。實驗要求這個磁場相當強，所以給天線施加了很大的功率，然後研究人員卻把它炸燬了！

實驗介紹&遊戲開始

通常情況下，對於磷這樣較小的原子核，當炸燬天線時‘遊戲結束了’，所以必須扔掉這個裝置。但對於銻核，實驗繼續進行，事實證明：在損壞之後，天線產生了一個強大電場，而不是磁場，故而讓研究人員‘重新發現’了‘核電共振’。在展示了用電場控制原子核的能力之後，研究人員使用複雜的計算機模型來了解電場究竟是如何影響原子核自旋的。這一研究強調了核電共振是一種真正的局部微觀現象：

電場扭曲了原子核周圍的原子鍵，使其重新定位。這一里程碑式的成果，將開啟一座發現和應用的寶庫，研究創建的系統，具有足夠的複雜性，可以研究我們每天體驗的經典世界，是如何從量子領域浮現出來的。此外，還可以利用它的量子複雜性來建造靈敏度大大提高的電磁場傳感器。所有這一切，都是在一個由硅製成的簡單電子設備中，通過施加在金屬電極上的小電壓來控制！