新南威尔士大学 一位艺术家的印象是，纳米尺度的电极是如何用来局部控制硅片中单个原子核的量子态的
信用:UNSW/托尼·梅洛夫 实验室里的一个愉快的事故导致了一个突破性的发现，它不仅解决了一个存在了半个多世纪的问题，而且对量子计算机和传感器的发展具有重大意义
在今天发表在《自然》杂志上的一项研究中，UNSW悉尼的一个工程师团队完成了一位著名科学家在1961年首次提出的可行方案，但此后所有人都没能做到:只用电场控制单个原子的原子核
“这一发现意味着我们现在有了一种方法，可以使用单原子自旋来制造量子计算机，而不需要任何振荡磁场来运行它们，”UNSW的量子工程科学教授安德里亚·莫雷罗说
“此外，我们可以利用这些原子核作为电场和磁场的精密传感器，或者回答量子科学中的基本问题
" 核自旋可以用电场而不是磁场来控制，这具有深远的影响
产生磁场需要大线圈和高电流，而物理定律表明很难将磁场限制在非常小的空间内——它们往往有很大的影响范围
另一方面，电场可以在微小电极的尖端产生，它们会在远离尖端的地方急剧下降
这将使控制纳米电子器件中的单个原子变得更加容易
新范例 莫雷罗教授说，这一发现动摇了核磁共振的范式，核磁共振是一种广泛应用于医学、化学或采矿等不同领域的技术
“核磁共振是现代物理、化学甚至医学或采矿中最广泛的技术之一，”他说
“医生用它来观察病人身体内部的细节，而矿业公司用它来分析岩石样本
这一切都非常有效，但对于某些应用，需要使用磁场来控制和检测原子核可能是一个缺点
" 莫雷罗教授用台球桌的类比来解释用磁场和电场控制核自旋的区别
“进行磁共振成像就像试图通过举起和摇晃整个桌子来移动台球桌上的一个特定的球，”他说
“我们将移动预期的球，但我们也将移动所有其他球
" “电共振的突破就像被递给一根真正的台球棒，让它准确地把球打到你想要的地方
" 令人惊讶的是，莫瑞罗教授完全没有意识到，他的团队已经破解了一个长期存在的问题，找到了一种用电场控制核自旋的方法。1961年，磁共振先驱、诺贝尔奖获得者尼古拉斯·布隆伯根首次提出了这个问题
莫雷罗教授说:“我从事自旋共振研究已经有20年了，但老实说，我从未听说过核电共振这个概念。”
“我们完全偶然地‘重新发现’了这种效应——我从来没有想过要去寻找它
核电共振的整个领域几乎已经沉寂了半个多世纪，此前首次尝试证明它太具挑战性
" 好奇 研究人员最初打算对锑的单个原子进行核磁共振——锑是一种拥有巨大核自旋的元素
这项工作的主要作者之一，博士
塞尔万·阿萨德解释道:“我们最初的目标是探索量子世界和经典世界之间的界限，这是由核自旋的混沌行为决定的
这纯粹是一个受好奇心驱使的项目，没有考虑任何应用
" “然而，一旦我们开始实验，我们就意识到出了问题
细胞核的行为非常奇怪，拒绝在特定频率下做出反应，但在其他频率下却表现出强烈的反应
文森特·莫里克也是该论文的主要作者
“这让我们困惑了一段时间，直到我们有了‘灵光乍现’的时刻，意识到我们在做电共振而不是磁共振
" 医生
阿萨德继续说道:“我们制造了一个包含锑原子和一个特殊天线的装置，该装置经过优化，可以产生高频磁场来控制原子核
我们的实验要求这个磁场相当强，所以我们给天线施加了很大的功率，我们把它炸了！" (赛场局势发生变化后表明)胜负难料 “通常情况下，对于像磷这样较小的原子核，当你炸毁天线时，游戏就结束了，你必须扔掉这个装置，”博士说
Mourik
“但是有了锑核，实验继续进行
结果发现，受损后，天线产生了一个强电场，而不是磁场
所以我们“重新发现”了核电共振
" 在展示了用电场控制原子核的能力后，研究人员使用复杂的计算机模型来理解电场到底是如何影响原子核的自旋的
这一努力强调了核电共振是一种真正的局部微观现象:电场扭曲了原子核周围的原子键，导致它重新定向
莫雷罗教授表示:“这一里程碑式的结果将开启一个发现和应用的宝库。”
“我们创造的系统有足够的复杂性来研究我们每天经历的经典世界是如何从量子领域出现的
此外，我们可以利用它的量子复杂性来建造灵敏度大大提高的电磁场传感器
所有这一切，在一个简单的硅电子器件中，用施加在金属电极上的小电压来控制！"
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