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2020-03-12 21:24

超半世紀難題終破解：單個原子的原子核可僅用電場來控制

澳大利亞新南威爾士大學的研究團隊發(fā)表在《自然》雜志上的一項新研究表明，他們實現(xiàn)了諾獎獲得者、磁共振先驅(qū)尼古拉斯·布隆伯根1961年所提出的預(yù)測。布隆伯根曾認為單個原子的原子核可以只用電場來控制，但在經(jīng)歷了長達十年的實驗中并沒有成功，最終放棄了該想法。至今半個多世紀，核電共振領(lǐng)域一直處于停滯狀態(tài)。

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新南威爾士大學量子工程科學教授德里亞·莫雷洛（Andrea Morello）教授稱，這項發(fā)現(xiàn)意味著人類現(xiàn)在有了一條利用“單原子自旋”來構(gòu)建量子計算機的途徑，而無需任何振蕩磁場來操作。

他表示可以將這些原子核用作電場和磁場傳感器，或借此回答量子科學中的基本問題。量子計算使計算機能夠以極其復雜的方式處理信息，其目的是提供比當前超級計算機更強大的計算能力。

該發(fā)現(xiàn)具備深遠影響，產(chǎn)生磁場需要較大線圈和高電流，而物理定律表明很難將磁場限制在很小的空間中。另一方面，電場可以在微小電極的尖端產(chǎn)生，并從尖端迅速脫落，這將使對放置在納米電子設(shè)備中單個原子的控制更加容易。

此外，這一發(fā)現(xiàn)也打破了核磁共振的范式，這是在醫(yī)學、化學或采礦等領(lǐng)域被廣泛使用的技術(shù)。但對于某些應(yīng)用，使用磁場來控制和檢測原子核可能是一個缺點。

莫雷洛教授用臺球桌的類比來解釋了磁場和電場控制核自旋的區(qū)別。使用磁共振就像試圖通過抬起并搖晃整張桌子，來移動桌上的目標球，但同時也會移動其他所有的球。而電共振的突破就像是直接用臺球桿擊中目標球一樣。

該團隊原實驗計劃是對單個銻原子進行核磁共振，該原子具有較大的核自旋。令人驚喜的是，雖然該實驗雖未成功卻意外發(fā)現(xiàn)了電共振。

莫雷洛教授稱這一里程碑式的成果，將開辟一個發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的寶庫，包括可以利用其量子復雜性來構(gòu)建靈敏度大大提高的電磁場傳感器等。而這切都將在一個由硅制成的簡單電子設(shè)備中進行，可以通過向金屬電極施加小電壓來控制原子核。

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