Ingeniører knækker et 58-årigt puslespil på vej mod kvantegennembrud

En lykkelig ulykke i laboratoriet har ført til en banebrydende opdagelse, der ikke kun løste et problem, der stod på i mere end et halvt århundrede, men har store konsekvenser for udviklingen af ​​kvantecomputere og sensorer.I en undersøgelse offentliggjort i dag i Natur , et team af ingeniører ved UNSW Sydney har gjort, hvad en berømt videnskabsmand først foreslog i 1961 var mulig, men har unddraget alle siden:at kontrollere kernen i et enkelt atom ved kun at bruge elektriske felter.

"Denne opdagelse betyder, at vi nu har en vej til at bygge kvantecomputere ved hjælp af single-atom spins uden behov for noget oscillerende magnetfelt til deres drift, " siger UNSW's Scientia-professor i kvanteteknik Andrea Morello. "Desuden, vi kan bruge disse kerner som udsøgt præcise sensorer af elektriske og magnetiske felter, eller at besvare grundlæggende spørgsmål inden for kvantevidenskab."

At et nukleart spin kan styres med elektrisk, i stedet for magnetiske felter, har vidtrækkende konsekvenser. Generering af magnetiske felter kræver store spoler og høje strømme, mens fysikkens love dikterer, at det er svært at begrænse magnetiske felter til meget små rum - de har en tendens til at have et bredt indflydelsesområde. Elektriske felter, på den anden side, kan fremstilles ved spidsen af ​​en lille elektrode, og de falder meget skarpt af væk fra spidsen. Dette vil gøre kontrollen af ​​individuelle atomer placeret i nanoelektroniske enheder meget lettere.

Et nyt paradigme

Prof Morello siger, at opdagelsen ryster op i paradigmet med kernemagnetisk resonans, en meget brugt teknik inden for så forskellige områder som medicin, kemi, eller minedrift. "Kernemagnetisk resonans er en af ​​de mest udbredte teknikker i moderne fysik, kemi, og endda medicin eller minedrift, " siger han. "Læger bruger det til at se ind i en patients krop i detaljer, mens mineselskaber bruger det til at analysere stenprøver. Det hele fungerer rigtig godt, men for visse applikationer, behovet for at bruge magnetiske felter til at kontrollere og detektere kernerne kan være en ulempe."

Prof Morello bruger analogien af ​​et billardbord til at forklare forskellen mellem at kontrollere atomspin med magnetiske og elektriske felter.

"At udføre magnetisk resonans er som at prøve at flytte en bestemt bold på et billardbord ved at løfte og ryste hele bordet, " siger han. "Vi flytter den tilsigtede bold, men vi flytter også alle de andre."

"Den elektriske resonans gennembrud er som at få udleveret en rigtig billardpind for at slå bolden præcis, hvor du vil have den."

Utroligt nok, Prof Morello var fuldstændig uvidende om, at hans team havde knækket et langvarigt problem med at finde en måde at kontrollere nukleare spins med elektriske felter, første gang foreslået i 1961 af en pioner inden for magnetisk resonans og Nobelpristager, Nicolaas Bloembergen.

"Jeg har arbejdet med spinresonans i 20 år af mit liv, men helt ærligt, Jeg havde aldrig hørt om denne idé om atomresonans, Prof. Morello siger. "Vi 'genopdagede' denne effekt ved et fuldstændigt tilfælde - det ville aldrig være faldet mig ind at lede efter det. Hele området for atomresonans har været næsten i dvale i mere end et halvt århundrede, efter de første forsøg på at demonstrere det viste sig at være for udfordrende."

Af nysgerrighed

Forskerne havde oprindeligt sat sig for at udføre kernemagnetisk resonans på et enkelt antimonatom - et grundstof, der besidder et stort kernespin. En af værkets hovedforfattere, Dr. Serwan Asaad, forklarer:"Vores oprindelige mål var at udforske grænsen mellem kvanteverdenen og den klassiske verden, sat af den kaotiske adfærd af atomspinningen. Dette var udelukkende et nysgerrighedsdrevet projekt, uden ansøgning i tankerne."

"Imidlertid, da vi startede eksperimentet, vi indså, at der var noget galt. Kernen opførte sig meget mærkeligt, nægter at reagere ved bestemte frekvenser, men viser en stærk respons på andre, " husker Dr. Vincent Mourik, også en hovedforfatter på papiret.

"Dette undrede os i et stykke tid, indtil vi havde et 'eureka-øjeblik' og indså, at vi lavede elektrisk resonans i stedet for magnetisk resonans."

Dr. Asaad fortsatte:"Det der skete er, at vi fremstillede en enhed indeholdende et antimonatom og en speciel antenne, optimeret til at skabe et højfrekvent magnetfelt til at styre atomets kerne. Vores eksperiment kræver, at dette magnetfelt er ret stærkt, så vi brugte en masse strøm til antennen, og vi sprængte det i luften!"

Så er spillet i gang

"Normalt, med mindre kerner som fosfor, når du sprænger antennen, er det 'game over', og du skal smide enheden væk, " siger Dr. Mourik." Men med antimonkernen, eksperimentet fortsatte med at virke. Det viser sig, at efter skaden, antennen skabte et stærkt elektrisk felt i stedet for et magnetfelt. Så vi 'genopdagede' nuklear elektrisk resonans."

Efter at have demonstreret evnen til at kontrollere kernen med elektriske felter, forskerne brugte sofistikeret computermodellering til at forstå, hvordan det elektriske felt præcist påvirker kernens spin. Denne indsats fremhævede, at nuklear elektrisk resonans er en virkelig lokal, mikroskopisk fænomen:det elektriske felt forvrænger atombindingerne omkring kernen, får den til at omorientere sig selv.

"Dette skelsættende resultat vil åbne op for en skatkammer af opdagelser og applikationer, " siger Prof Morello. "Det system, vi skabte, har tilstrækkelig kompleksitet til at studere, hvordan den klassiske verden, vi oplever hver dag, dukker op fra kvanteverdenen. I øvrigt, vi kan bruge sin kvantekompleksitet til at bygge sensorer af elektromagnetiske felter med stærkt forbedret følsomhed. Og alt dette, i en simpel elektronisk enhed lavet i silicium, styret med små spændinger påført en metalelektrode!"