“核磁共振”想必大多數(shù)人都聽過，可是你聽說過“核電共振”嗎？

早在1961年，核磁共振的先驅(qū)、諾貝爾物理學(xué)獎獲得者Nicolaas Bloembergen就預(yù)言了這種現(xiàn)象。

然而直到58年后，在一場實(shí)驗(yàn)室的意外爆炸事故中，澳洲的科學(xué)家們才驗(yàn)證這個預(yù)言。

這群新南威爾士大學(xué)科學(xué)家的新發(fā)現(xiàn)登上了最新一期的Nature，開辟了一種操控原子的新方法，也為基于核自旋的量子計(jì)算機(jī)技術(shù)鋪平了道路。

操控原子新方法

我們熟知的核磁共振是靠磁場來操控原子、電子的自旋來實(shí)現(xiàn)的。

所謂自旋可以把原子或者電子想象成一個高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，帶電的旋轉(zhuǎn)陀螺就會產(chǎn)生磁場，讓原子和電子像一個小磁針，而旋轉(zhuǎn)軸的方向就是磁針的指向。

過去，我們操控這些小磁針指向只能靠強(qiáng)大的磁場，然而制造強(qiáng)磁場需要大電流，而且磁場很難控制在一個狹小的區(qū)域內(nèi)，無法對單個原子進(jìn)行精確操控。

這就好比我們要晃動臺球桌上的某個球，但是不得不晃動整個桌子，其他球也會跟著動起來。而核電共振相當(dāng)于給你一個臺球桿，精確打到你要擊中的球。

文章的通訊作者Andrea Morello教授這樣解釋。

電場可以在微小電極的尖端產(chǎn)生，并且電場強(qiáng)度隨著遠(yuǎn)離尖端而急劇下降，從而把電場控制在一個極小的范圍內(nèi)。

Morello的團(tuán)隊(duì)就是在硅納米電子器件上用尖端產(chǎn)生的電池對單個原子進(jìn)行控制。

一次偶然的發(fā)現(xiàn)

核電共振的研究一蟄伏就是幾十年。Morello教授的團(tuán)隊(duì)過去一直在研究核磁共振，核電共振并不是他們的研究方向。

起初他們是在銻（Sb）原子核上進(jìn)行核磁共振。最初的研究目標(biāo)是探索核自旋的混沌行為所決定的量子世界和經(jīng)典世界之間的邊界。

論文第一作者Serwan Asaad博士說：“這純粹是一個好奇心驅(qū)動的項(xiàng)目，沒有考慮應(yīng)用。”

為了研究銻原子，他們需要制造很強(qiáng)的磁場，所以要向線圈通入大電流，而這個大電流讓線圈爆炸了。

如果是在一般情況下，實(shí)驗(yàn)等于失敗，儀器也報(bào)廢了。但他們?nèi)匀粓?jiān)持繼續(xù)對銻原子做實(shí)驗(yàn)。

由于線圈被炸毀，沒了磁場，卻陰差陽錯地在銻原子周圍產(chǎn)出了一個強(qiáng)大的電場，這個電場讓核自旋產(chǎn)生了相干信號，而且退相干時(shí)間長達(dá)0.1秒，比其他方法高出幾個數(shù)量級。

這讓研究人員意識到，他們可能發(fā)現(xiàn)了核電共振的現(xiàn)象。

他們的結(jié)果也得到了微觀理論模型的支持，該模型揭示了存在晶格應(yīng)變的情況下，核四極相互作用的純電調(diào)制如何導(dǎo)致相干核自旋躍遷。

Morello教授認(rèn)為，這一具有里程碑意義的發(fā)現(xiàn)將未來會有一系列新的應(yīng)用。

這一發(fā)現(xiàn)意味著，我們不用磁場就可以構(gòu)建基于自旋的量子計(jì)算機(jī)，另外還可以用它來制造超靈敏的電磁場傳感器。

而所有這些都可以集成在硅芯片上，通過向金屬電極施加電壓來控制。

Morello教授的團(tuán)隊(duì)也在朝著這一步邁進(jìn)，他們計(jì)劃在2022年研制出一個10量子比特的硅芯片，這是向?qū)崿F(xiàn)第一臺硅量子計(jì)算機(jī)邁出的第一步。

論文地址：
https://arxiv.org/abs/1906.01086