一次實驗室事故差點燒燬了他們的儀器，卻也讓他們實現了諾獎得主尼古拉斯·布隆伯根在 58 年前提出的一個設想：用電場操縱單個原子核。
用納米尺度電極控制硅芯片上單個原子的量子態（藝術概念圖）。圖片來源：UNSW/Tony Melov
撰文 戚譯引
新南威爾士大學研究團隊 3 月 11 日在《自然》發文，報告成功實現了核電共振，僅使用電場改變單個原子核的量子態。這一構想最初由諾獎得主尼古拉斯·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）在 1961 年提出，但此前從未有人實現。如果核電共振能夠得到廣泛應用，它或許將動搖磁共振在科研和應用中的“壟斷”地位，甚至對量子計算機的研發產生重要作用。
對於研究團隊而言，這個成果完全是個意外驚喜——此前他們甚至沒有聽說過布隆伯根的設想，是儀器爆炸讓他們發現了新的研究方向。
一次愉快的實驗事故
研究團隊最初的計劃是對單個銻原子進行核磁共振。論文共同一作舍爾旺·阿薩德（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，而經典世界是建立在核自旋混沌行為之上的。這完全是一個好奇心驅動的項目，我們沒有計劃任何應用方向。”
“但是實驗開始之後，我們發現有什麼地方不太對。原子核的行為很奇怪，它拒絕對一些特定的頻率作出回應，卻對其他的頻率作出強烈的反應，”另一位共同一作文森特·穆爾瑞克（Vincent Mourik）博士說，“我們一度感到很困惑，直到某一刻靈光一現，我們意識到那是核電共振，不是核磁共振。”
阿薩德博士繼續說：“實際上，我們製造了一臺儀器，其中包含一個銻原子和一根特殊的天線。我們本來計劃製造高頻磁場控制原子核。這個實驗要求磁場達到很高的強度，所以我們對天線施加了很大的功率，然後它就爆炸了！”
穆爾瑞克指出，如果是磷原子那樣比較小的原子核，天線爆炸後儀器肯定就不能用了，“但是我們用的是銻原子，儀器還能繼續運行。而且在爆炸之後天線產生的不是磁場，而是較強的電場。我們‘重新發現’了核電共振。”
被遺忘的設想
當時研究團隊還沒有意識到，他們首次實現了諾獎得主尼古拉斯·布隆伯根在半個世紀前提出的設想。研究通訊作者、UNSW 量子工程學傑出教授（Scientia Professor）
安德里亞·莫萊羅（Andrea Morello）說：“我這輩子花了二十年研究自旋共振，但我真沒聽說過核電共振。我們重新發現了這個效應，完全是出於意外，我從來沒想過要去尋找它。最早進行實驗驗證的嘗試遇到了重重困難，如今整個核電共振領域已經沉睡了超過半個世紀。” 莫萊羅教授、穆爾瑞克博士以及阿薩德博士。圖片來源：UNSW
核電共振的原理與核磁共振相似，都利用了原子的自旋。在原子內部，原子核電荷分佈受到核自旋影響，沿著核自旋方向形成一個旋轉的橢球體。原子核偏離球形的量產生核電四極矩，核電四極矩同電子產生的電場相互作用即核電四極相互作用。在 1961 年發表的一篇論文中，尼古拉斯·布隆伯根提出，對於自旋 I> 1/2、核電四極矩不為零的原子核，在一定條件下可以用共振電場調節它的核電四極相互作用，從而改變核自旋。
不過在當時，核磁共振技術相比之下要成熟得多，布隆伯根本人就是先驅之一。早在 20 世紀 40 年代末，布隆伯根在哈佛大學讀研究生的時候，就和導師愛德華·珀塞爾（Edward Purcell）一同開發核磁共振技術。到 70 年代初，核磁共振成像儀開始用於醫學檢查，接下來它還會被應用到更多的領域。布隆伯根也轉向激光光譜學研究，並因此分享了 1981 年諾貝爾物理學獎。核電共振的想法似乎被漸漸遺忘了。
打破核磁共振的“壟斷”
如今，新南威爾士大學研究團隊證明能夠用電場改變原子核的自旋，並使用計算機建模進行了分析。他們證明，原子核電共振是一個真實存在的微觀現象：電場扭曲了原子核周圍的鍵，迫使它轉向。
用磁場和電場控制原子自旋，有怎樣的差異？莫萊羅用桌球檯進行比喻，他說：“磁共振就像舉起整張桌子搖晃它，來控制某一個球。我們確實移動能那個球，但同時也會移動其他的球。而電共振是一個突破，這相當於給你一支檯球杆，你能用它精確地把某個球打到期望的地方。”
如今磁共振技術已經被廣泛應用於醫學、化學、採礦等領域，而論文作者們指出，如果要在納米尺度上進行應用，電共振的優勢遠大於磁共振。磁場的產生通常依靠大型線圈和強大的電流，並且磁場很難被約束在小範圍內；相比之下，一個小型電極的尖端就可能產生很強的電場，並且電場更容易被約束或屏蔽。
研究作者們認為，如果將能夠用電場控制的原子核用量子點連接起來，並實現規模化，或許有助於開發出基於原子核自旋和電子自旋的硅量子計算機，且不依靠共振磁場運行。
“這一發現意味著我們找到了一種方法，能夠利用單原子自旋製造不依靠共振磁場運行的量子計算機，”莫萊羅說，“我們還能利用原子核作為精度極高的傳感器，用於探測電場和磁場，甚至回答量子科學中的基本問題。”
Asaad, S., Mourik, V., Joecker, B. et al. Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon. Nature579, 205–209 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2057-7
1. https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/engineers-crack-58-year-old-puzzle-way-quantum-breakthrough
2. https://www.nature.com/articles/550458a
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