研究人員希望利用納米尺度電極局部控制硅片內單個原子核的量子態。
《自然》雜誌報道，澳大利亞新南威爾士大學（UNSW）的工程師們在量子學領域取得了突破性進展：他們僅依靠電場就控制了單個原子中的原子核。該成果不僅解決了半個多世紀以來的科學問題，還將對量子計算機和傳感器技術的發展產生重大影響。UNSW量子工程學教授Andrea Morello說：“這一發現意味著我們現在有了利用單原子自旋製造量子計算機的可能。這種方法不需要使用任何振盪磁場。此外，我們還能將其用於精確電場和磁場傳感器的開發。”
能夠用電場，而非磁場控制原子核自旋，這將產生深遠的影響。構建磁場需要大線圈和強電流。然而，磁場的影響範圍很廣，有可能對其他設備產生影響。微型電極的尖端就能產生電場，並且影響範圍較窄，這使得控制納米電子設備中的單個原子變得更加容易。
Morello教授表示，他們的發現有可能會撼動核磁共振技術。他說：“核磁共振作為廣泛應用於醫學、化學和礦物學等領域的技術，卻不適用於其他某些應用。”
Morello教授以檯球桌為例，解釋了用磁場和電場控制原子核自旋的區別。他說：“核磁共振成像就像通過搖動檯球桌來移動一個特定的檯球。雖然目標球移動了，但其他球也跟著移動了。電場控制就像用一根檯球杆，去精確擊打目標球。”
Morello教授團隊發現電場控制原子核自旋的經歷是一個意外。最初，研究人員計劃在單個銻原子上進行核磁共振實驗。論文作者Serwan Asaad博士解釋說：“原子核的混沌行為決定了量子世界和經典世界的邊界，我們希望對這個領域進行探討。這是一個完全由好奇心驅動的項目，沒有考慮過應用性。”
論文作者Vincent Mourik博士補充說：“然而，當我們開始實驗後，就發現了一些奇特的現象——原子核的行為非常怪異，它拒絕在特定頻率上作出反應，卻在其他頻率表現出強烈的反應。這讓我們困惑了相當長的一段時間。最後，我們意識到這是電共振，而非磁共振。”
在展示了用電場控制原子核的可行性之後，研究人員利用計算機模型分析了電場對原子核自旋的作用。他們發現，原子核電共振是一種真正意義上的局部、微觀效應：電場扭曲了原子核周圍的原子鍵，使其重新定向。Morello教授表示：“這一里程碑式的發現將開啟新的應用寶庫。我們創造的系統不僅有足夠的量子複雜度讓研究人員深入理解經典世界和量子世界的聯繫，還能助力超高靈敏度傳感器的開發。”
期刊編號：0028-0836
原文鏈接：https://phys.org/news/2020-03-year-old-puzzle-quantum-breakthrough.html
閱讀更多 科學大觀園雜誌 的文章
