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当一次实验室仪器爆炸让诺奖得主58年前的设

发布时间:2021-09-09 14:56:55 阅读: 来源:遮阳挡厂家

一次实验室仪器爆炸,让诺奖得主58年前的设想成为现实

一次实验室事故差点烧毁了他们的仪器,却也让他们实现了诺奖得主尼古拉斯·布隆伯根在 58 年前提出的一个设想:用电场操纵单个原子核。

用纳米尺度电极控制硅芯片上单个原子的量子态(艺术概念图)。图片来源:unsw/tony m可以自主寻求它的商业目标elov

撰文 戚译引

新南威尔士大学研究团队 3 月 11 日在《自然》发文,报告成功实现了核电共振,仅使用电场改变单个原子核的量子态。这一构想最初由诺奖得主尼古拉斯·布隆伯根(nicolaas bloembergen)在 1961 年提出,但此前从未有人实现。如果核电共振能够得到广泛应用,它或许将动摇磁共振在科研和应用中的“垄断”地位,甚至对量子计算机的研发产生重要作用。

对于研究团队而言,这个成果完全是个意外惊喜——此前他们甚至没有听说过布隆伯根的设想,是仪器爆炸让他们发现了新的研究方向。

一次愉快的实验事故

研究团队最初的计划是对单个锑原子进行核磁共振。论文共同一作舍尔旺·阿萨德(serwan asaad)博士解释说:“我们最初的目标是探索量子世界和经典世界之间的边界,而经典世界是建立在核自旋混沌行为之上的。这完全是一个好奇心驱动的项目,我们没有计划任何应用方向。”

“但是实验开始之后,我们发现有什么地方不太对。原子核的行为很奇怪,它拒绝对一些特定的频率作出回应,却对其他的频率作出强烈的反应,”另一位共同一作文森特·穆尔瑞克(vincent mourik)博士说,“我们一度感到很困惑,直到某一刻灵光一现,我们意识到那是核电共振,不是核磁共振。”

阿萨德博士继续说:“实际上,我们制造了一台仪器,其中包含一个锑原子和一根特殊的天线。我们本来计划制造高频磁场控制原子核。这个实验要求磁场达到很高的强度,所以我们对天线施加了很大的功率,然后它就爆炸了!”

穆尔瑞克指出,如果是磷原子那样比较小的原子核,天线爆炸后仪器肯定就不能用了,“但是我们用的是锑原子,仪器还能继续运行。而且在爆炸之后天线产生的不是磁场,而是较强的电场。我们 重新发现 了核电共振。”

被遗忘的设想

当时研究团队还没有意识到,他们首次实现了诺奖得主尼古拉斯·布隆伯根在半个世纪前提出的设想。研究通讯作者、unsw 量子工程学杰出教授(scientia professor)安德里亚·莫莱罗(andrea morello)说:“我这辈子花了二十年研究自旋共振,但我真没听说过核电共振。我们重新发现了这个效应,完全是出于意外,我从来没想过要去寻找它。最早进行实验验证的尝试遇到了重重困难,如今整个核电共振领域已经沉睡了超过半个世纪。”

莫莱罗教授、穆尔瑞克博士以及阿萨德博士。图片来源:unsw

核电共振的原理与核磁共振相似,都利用了原子的自旋。在原子内部,原子核电荷分布受到核自旋影响,沿着核自旋方向形成一个旋转的椭球体。原子核偏离球形的量产生核电四极矩,核电四极矩同电子产生的电场相互作用即核电四极相互作用。在 1961 年发表的一篇论文中,尼古拉斯·布隆伯根提出,对于自旋 i >; 1/2、核电四极矩不为零的原子核,在一定条件下可以用共振电场调节它的核电四极相互作用,从而改变核自旋。

不过在当时,核磁共振技术相比之下核电装机容量到达3364万千瓦要成熟得多,布隆伯根本人就是先驱之一。早在 20 世纪 40 年代末,布隆伯根在哈佛大学读研究生的时候,就和导师爱德华·珀塞尔(edward purcell)一同开发核磁共振技术。到 70 年代初,核磁共振成像仪开始用于医学检查,接下来它还会被应用到更多的领域。布隆伯根也转向激光光谱学研究,并因此分享了 1981 年诺贝尔物理学奖。核电共振的想法似乎被渐渐遗忘了。

打破核磁共振的“垄断”

如今,新南威尔士大学研究团队证明能够用电场改变原子核的自旋,并使用计算机建模进行了分析。他们证明,原子核电共振是一个真实存在的微观木粉易团圆;这些缺点构成应力集中现象:电场扭曲了原子核周围的键,迫使它转向。

用磁场和电场控制原子自旋,有怎样的差异?莫莱罗用桌球台进行比喻,他说:“磁共振就像举起整张桌子摇晃它,来控制某一个球。我们确实移动能那个球,但同时也会移动其他的球。而电共振是一个突破,这相当于给你一支台球杆,你能用它精确地把某个球打到期望的地方。”

如今磁共振技术已经被广泛应用于医学、化学、采矿等领域,而论文作者们指出,如果要在纳米尺度上进行应用,电共振的优势远大于磁共振。磁场的产生通常依靠大型线圈和强大的电流,并且磁场很难被约束在小范围内;相比之下,一个小型电极的尖端就可能产生很强的电场,并且电场更容易被约束或屏蔽。

研究作者们认为,如果将能够用电场控制的原子核用量子点连接起来,并实现规模化,或许有助于开发出基于原子核自旋和电子自旋的硅量子计算机,且不依靠共振磁场运行。

“这一发现意味着我们找到了一种方法,能够利用单原子自旋制造不依靠共振磁场运行的量子计算机,”莫莱罗说,“我们还能利用原子核作为精度极高的传感器,用于探测电场和磁场,甚至回答量子科学中的基本问题。”

相关论文:

asaad, s., mourik, v., joecker, b. et al. coherent electrical control of a single high-spin nucl高速采样;eus in silicon. nature579, 205 209 (2020).

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