工程師意外破解一個量子謎題，或將顛覆核磁共振

2023-03-29 18:16:37

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最近，在一個實驗室裡發生了一件令人驚訝的事故，引發了物理學上的突破性發現。它的出現不僅解決了一個持續了半個多世紀的問題，而且對量子計算機和傳感器的發展產生了重大影響。

尼古拉斯·布隆伯根，核磁共振先驅，因雷射光譜學獲得諾貝爾物理學獎，於1961年提出了一個想法。他認為我們也許能夠只用一個電場來控制單個原子的原子核。然而，多年來，這一目標一直沒有實現。

直到最近，在《自然》雜誌發表的一篇論文中，一組澳大利亞工程師宣布他們出乎意料地實現了這一壯舉《

》論文的通訊作者、量子工程教授安德裡亞·莫雷羅(Andrea Morello)說，這一發現動搖了核磁共振的範式:「這一發現意味著我們現在有了一種利用單個原子的自旋來構建量子計算機的方法。這種方法不需要任何振蕩磁場來操作。」此外，我們可以用這些原子核作為極其精確的電場和磁場傳感器，或者用它們來回答量子科學中的基本問題。這篇

0的論文的三位主要作者是安德裡亞·莫雷羅教授、文森特·莫裡克博士和塞爾萬·阿薩德博士。圖片來源:UNSW

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核磁共振是現代物理、化學、甚至醫學和採礦中應用最廣泛的技術之一醫生可以用它來詳細檢查病人的狀況，採礦業可以用它來分析巖石樣本。可以說核磁共振對於許多應用來說是一種非常有效的技術。然而，對於某些特定的應用，依靠磁場來控制和探測原子核是不利的。從應用的角度來看，

是僅用電場(而非磁場)控制核自旋的一個具有深遠影響的突破磁場的產生需要大線圈和大電流，並且它們的影響範圍通常非常寬。很難將磁場限制在非常小的空間內。相反，電場可以在一個微小電極的尖端產生，它可以從電極的尖端急劇下降。這一特性使得利用電場控制納米電子器件中的單個原子變得更加容易。

Morello教授通過與撞球桌的類比解釋了控制核自旋的磁場和電場之間的區別:「磁共振成像就像試圖通過舉起和搖動整個撞球桌來移動特定的撞球桌除了移動預定的球，所有其他球也將被移動。電共振的突破就像拿著一個真正的球桿，只是把球打到想要的位置。「

當回顧這一發現的過程時，莫雷爾洛教授說，當時他完全不知道他的團隊已經解決了用電場控制核自旋的問題，這個問題一直困擾著物理學家。

「我研究自旋共振已經20年了，但是說實話，我從來沒有聽說過核共振的概念，」莫雷羅教授說。「我們對這種效果的『重新發現』純粹是偶然的，因為我從一開始就沒想過要尋找它在第一次嘗試研究核共振被證明是一項太具挑戰性的任務之後，整個核共振領域已經處於休眠狀態半個多世紀了。起初，研究人員對銻(Sb)原子進行了核磁共振，銻是一種具有大核自旋的元素這項研究的主要作者塞爾萬·阿薩德解釋道:「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決定的。」這純粹是一個受好奇心驅使的研究項目，沒有考慮它的應用。然而，當實驗開始時，他們很快就意識到似乎有些不對勁他們發現原子核的行為非常奇怪——它們會拒絕在某些特定頻率下反應，但在其他頻率下會表現出強烈的反應。

Asaad說:「這讓我們困惑了一段時間。直到有一天，當我們突然有一個「閃光」時，我們才意識到我們在做電共振，而不是磁共振「

0藝術概念圖:使用納米級電極局部控制矽晶片中單個銻核的量子態|照片來源:託尼·梅洛夫/UNSW

他們製造了一個由銻原子和特殊天線組成的裝置。該裝置優化後，可以產生高頻磁場來控制原子核。阿薩德說:「因為實驗需要一個強磁場，我們給天線注入了大量能量，然後把它炸毀了！」

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在正常情況下，如果實驗使用更小的原子核，比如磷，當天線被炸飛時，遊戲就結束了——這個裝置不能再使用了。然而，隨著銻核的使用，實驗實際上還在繼續。他們發現在天線被摧毀後，它產生了一個強電場而不是磁場。這直接導致了研究人員對核共振的重新發現。

在展示了用電場控制原子核的能力後，研究人員使用複雜的計算機模型來理解電場如何精確地影響原子核的自旋這項工作強調了核共振是一種真正的局部和微觀現象:電場扭曲了原子核周圍的原子鍵，並使它們重新定向

莫羅教授說:「這一裡程碑式的結果將打開一個發現和應用的寶庫。」我們創造的系統非常複雜，足以讓我們研究經典世界是如何從量子場中誕生的。此外，我們可以利用它的量子複雜性來構建靈敏度大大提高的電磁場傳感器。所有這些都可以在一個簡單的矽電子器件中進行控制，只需在金屬電極上施加一個小電壓。"

參考來源:

來源:原則

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