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超半世纪难题终破解 单个原子的原子核可仅用电场来控制

  

       澳大利亚新南威尔士大学的研究团队发表在《自然》杂志上的一项新研究表明,他们实现了诺奖获得者、磁共振先驱尼古拉斯·布隆伯根1961年所提出的预测。布隆伯根曾认为单个原子的原子核可以只用电场来控制,但在经历了长达十年的实验中并没有成功,最终放弃了该想法。至今半个多世纪,核电共振领域一直处于停滞状态。

       新南威尔士大学量子工程科学教授德里亚·莫雷洛(Andrea Morello)教授称,这项发现意味着人类现在有了一条利用“单原子自旋”来构建量子计算机的途径,而无需任何振荡磁场来操作。

  他表示可以将这些原子核用作电场和磁场传感器,或借此回答量子科学中的基本问题。量子计算使计算机能够以极其复杂的方式处理信息,其目的是提供比当前超级计算机更强大的计算能力。

  该发现具备深远影响,产生磁场需要较大线圈和高电流,而物理定律表明很难将磁场限制在很小的空间中。另一方面,电场可以在微小电极的尖端产生,并从尖端迅速脱落,这将使对放置在纳米电子设备中单个原子的控制更加容易。

  此外,这一发现也打破了核磁共振的范式,这是在医学、化学或采矿等领域被广泛使用的技术。但对于某些应用,使用磁场来控制和检测原子核可能是一个缺点。

  莫雷洛教授用台球桌的类比来解释了磁场和电场控制核自旋的区别。使用磁共振就像试图通过抬起并摇晃整张桌子,来移动桌上的目标球,但同时也会移动其他所有的球。而电共振的突破就像是直接用台球杆击中目标球一样。

  该团队原实验计划是对单个锑原子进行核磁共振,该原子具有较大的核自旋。令人惊喜的是,虽然该实验虽未成功却意外发现了电共振。

  莫雷洛教授称这一里程碑式的成果,将开辟一个发现和应用的宝库,包括可以利用其量子复杂性来构建灵敏度大大提高的电磁场传感器等。而这切都将在一个由硅制成的简单电子设备中进行,可以通过向金属电极施加小电压来控制原子核。