Счастливая случайность в лаборатории привела к прорыву открытие, что не только решили проблему, которая простояла более полувека, но имеет серьезные последствия для развития квантовых компьютеров и датчиков. В исследовании, опубликованном сегодня в Nature, группа инженеров в UNSW в Сиднее сделал то, что знаменитый ученый впервые высказал в 1961 году можно было, но ускользал от всех и каждого, так: контролируя ядра одного атома с использованием только электрического поля.
«Это открытие означает, что теперь у нас есть пути построения квантовых компьютеров через один-атом спинов без необходимости какого-либо колебания магнитного поля для их функционирования», — говорит профессор Территория смыслов НЮУ квантовой инженерии Андреа Морелло. «Кроме того, мы можем использовать эти ядра, изысканно-точные датчики электрического и магнитного полей, или ответить на фундаментальные вопросы квантовой науки».
Что ядерный спин может быть контролируется с помощью электрического, а не магнитного поля, имеет далеко идущие последствия. Генерация магнитных полей требует больших катушек и высокочастотных токов, а законы физики диктуют, что трудно ограничиться магнитных полей для очень маленького помещения-они, как правило, имеют широкую область влияния. Электрические поля, с другой стороны, может быть произведено на кончике крошечный электрод, и они падают очень резко от кончика. Это позволит сделать контроль отдельных атомов, расположенных в наноэлектронных устройств гораздо проще.
НОВАЯ ПАРАДИГМА
Проф Морелло говорит открытие встряхивает парадигма ядерного магнитного резонанса, широко используемая техника в поля, разрозненных как медицина, химия, или добыча. «Ядерный магнитный резонанс является одним из самых распространенных методов в современной физике, химии, и даже медицина или добыча», — говорит он. «Врачи используют его, чтобы заглянуть внутрь тела пациента в мельчайших деталях, в то время как горнодобывающие компании используют его для анализа образцов горных пород. Все это работает очень хорошо, но для некоторых приложений, необходимость использования магнитных полей для управления и обнаружить ядер может быть недостатком.»
Проф Морелло использует аналогию с бильярдом объяснить разницу между контролирующими ядерных спинов с магнитным и электрическим полями.
«Выполнение магнитно-резонансной как пытаются переместить шар на бильярдном столе, поднимая и встряхивая весь стол», — говорит он. «Мы будем двигаться намеченным мяч, но мы также будем двигаться все остальные.»
«Прорыв электрический резонанс как передал реальный бильярд клюшка ударила по мячу точно, где вы хотите его.»
Удивительно, Проф Морелло был в полном неведении, что его команда была сломана многолетняя проблема в нахождении способа контроля ядерных спинов с электрическими полями, впервые предложенный в 1961 году пионер магнитно-резонансной и нобелевский лауреат Николас Bloembergen.
«Я работал на спинового резонанса за 20 лет моей жизни, но, честно говоря, я никогда не слышал об этой идее ядерный электрический резонанс,» Проф Морелло говорит. «Мы ‘вновь’ этот эффект по полной катастрофы-это никогда бы не пришло в голову искать его. Все поле ядерный электрический резонанс был почти в состоянии покоя в течение более чем полувека после первой попытки продемонстрировать это оказалось слишком сложной».
ИЗ ЛЮБОПЫТСТВА
Исследователи первоначально намеревались проанализировать ядерного магнитного резонанса на один атом сурьма-элемент, который обладает большим спином. Один из ведущих авторов работы, доктор Serwan Асаад, объясняет: «нашей первоначальной целью было изучение границы между квантовым миром и классическим, установленные хаотического поведения ядерного спина. Это было чисто любопытство-проект, без применения в виду».
«Однако после того, как мы начали эксперимент, мы поняли, что что-то случилось. Ядра вели себя очень странно, отказывается отвечать на определенных частотах, но показывает сильную реакцию на других», — вспоминает д-р Винсент Моурик, также ведущий автор на бумаге.
«Это озадачило нас некоторое время, пока у нас не будет «Эврика» и понял, что мы делали электрический резонанс вместо магнитного резонанса.»
Доктор Асаад продолжил: «случилось то, что было изготовлено устройство, содержащее атом сурьмы и специальные антенны, оптимизированные для создания высокочастотного магнитного поля для управления ядром атома. Наш эксперимент требует это магнитное поле достаточно сильное, так что мы приложили много сил к антенне, и мы его взорвали!»
ИГРЫ НА
«Как правило, с более мелкими ядрами, как фосфор, когда вы взорвать антенну, это игра закончена и вам придется выбросить прибор», — говорит д-р Моурик. «Но с ядром сурьма, эксперимент продолжали работать. Получается, что после повреждения, антенна создает сильное электрическое поле, а не магнитное поле. Так что мы ‘вновь’ ядерный электрический резонанс».
После демонстрации способности контролировать ядра с электрическими полями, ученые использовали сложные компьютерные моделирования, чтобы понять, как именно электрическое поле влияет на спин ядра. Эти усилия, подчеркнул, что ядерный электрический резонанс-это действительно локальные, микроскопические явления: электрическое поле искажает межатомных связей вокруг ядра, заставляя его переориентироваться.
«Это знаковое результате откроется сокровищница открытий и приложений», — говорит профессор Морелло. «Система, которую мы создали достаточно сложности, чтобы изучить, как классического мира, который мы испытываем каждый день выходит из квантовом мире. Кроме того, мы можем использовать его квантовой сложности для построения датчиков электромагнитных полей со значительно улучшенной чувствительностью. И все это, в простые электронные устройства сделаны из силикона, контролируемых с малых напряжений, прикладываемых к металлическим электродом!»
Основные исполнители: Территория смыслов профессор Андреа Морелло (НЮУ), д-р Serwan Асаад (НЮУ), д-р Винсент Моурик (НЮУ), доцент Джеффри Маккаллум (Мельбурнский университет), д-р Эндрю Бачевского (национальные лаборатории Сандия)
сделать разницу: спонсорские возможности
Ответить
Хотите присоединиться к обсуждению?Не стесняйтесь вносить свой вклад!