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超半世紀難題終破解 單個原子的原子核可僅用電場來控制

  

       澳大利亞新南威爾士大學的研究團隊發表在《自然》雜志上的一項新研究表明,他們實現了諾獎獲得者、磁共振先驅尼古拉斯·布隆伯根1961年所提出的預測。布隆伯根曾認為單個原子的原子核可以只用電場來控制,但在經歷了長達十年的實驗中并沒有成功,最終放棄了該想法。至今半個多世紀,核電共振領域一直處于停滯狀態。

       新南威爾士大學量子工程科學教授德里亞·莫雷洛(Andrea Morello)教授稱,這項發現意味著人類現在有了一條利用“單原子自旋”來構建量子計算機的途徑,而無需任何振蕩磁場來操作。

  他表示可以將這些原子核用作電場和磁場傳感器,或借此回答量子科學中的基本問題。量子計算使計算機能夠以極其復雜的方式處理信息,其目的是提供比當前超級計算機更強大的計算能力。

  該發現具備深遠影響,產生磁場需要較大線圈和高電流,而物理定律表明很難將磁場限制在很小的空間中。另一方面,電場可以在微小電極的尖端產生,并從尖端迅速脫落,這將使對放置在納米電子設備中單個原子的控制更加容易。

  此外,這一發現也打破了核磁共振的范式,這是在醫學、化學或采礦等領域被廣泛使用的技術。但對于某些應用,使用磁場來控制和檢測原子核可能是一個缺點。

  莫雷洛教授用臺球桌的類比來解釋了磁場和電場控制核自旋的區別。使用磁共振就像試圖通過抬起并搖晃整張桌子,來移動桌上的目標球,但同時也會移動其他所有的球。而電共振的突破就像是直接用臺球桿擊中目標球一樣。

  該團隊原實驗計劃是對單個銻原子進行核磁共振,該原子具有較大的核自旋。令人驚喜的是,雖然該實驗雖未成功卻意外發現了電共振。

  莫雷洛教授稱這一里程碑式的成果,將開辟一個發現和應用的寶庫,包括可以利用其量子復雜性來構建靈敏度大大提高的電磁場傳感器等。而這切都將在一個由硅制成的簡單電子設備中進行,可以通過向金屬電極施加小電壓來控制原子核。