工程师意外破解一个量子谜题,或将颠覆核磁共振

作者: L. Gilbert

来源: 原理

发布日期: 2020-03-15 11:49:13

澳大利亚工程师团队意外破解了一个量子谜题,实现了仅用电场控制单原子核的目标,这一发现解决了长达半个多世纪的物理难题,对量子计算机和传感器的发展有重大影响。

最近,在一个实验室里发生了一个令人惊喜的意外事件,由此引发了物理学中的一项突破性发现。它的出现不仅解决了一个长达半个多世纪的问题,而且对量子计算机和传感器的发展产生了重大影响。

因获得诺贝尔物理学奖的核磁共振先驱尼可拉斯·布伦柏根曾在1961年提出一个设想,他认为我们或许可以仅仅利用电场,就实现对单原子的原子核的控制。然而多年过去,这一目标一直未能实现。直到最近,在一项发表于《自然》杂志上的论文中,一个澳大利亚的工程师团队宣布他们意外地实现了这一壮举。

核磁共振是现代物理学、化学,甚至医学和采矿中最为广泛使用的技术之一。医生可以用它来详细查看病人体内的情况,采矿产业可以用它来分析岩石样本。可以说,核磁共振对许多应用来说都是非常有效的技术。然而,对于某些特定的应用来说,需要依赖磁场来对原子核进行控制和探测就成了一个缺点。从应用角度来看,能够仅仅利用电场(而非磁场)来控制核自旋,都是一件影响深远的突破。

一开始,研究人员在锑(Sb)原子上进行核磁共振,锑是一种具有很大的核自旋的元素。研究的第一作者Serwan Asaad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边界,这是由核自旋的混沌行为所决定的。这纯粹是一个由好奇心驱动的研究项目,并没有考虑到它的应用。”然而,当实验开始之后,他们便很快意识到有些地方似乎不对。

他们发现核子的行为非常奇怪——它们会在一些特定的频率上拒绝做出反应,但又在别的一些频率上却表现出强烈的反应。

在通常情况下,如果实验所使用的是如磷一类的较小原子核,那么在天线被炸毁之时,游戏就已经结束——这个设备就不能再被使用了。然而在使用了锑核的情况下,实验居然得以继续进行。他们发现,在天线被毁之后,它产生了一个强电场,而非磁场。这直接导致了研究人员对核电共振的重新发现。

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