Щастлив инцидент в лабораторията доведе до пробив на откритие, което не само реши проблем на повече от половин век, но има големи последици за развитието на квантовите компютри и сензори. В проучване, публикувано днес в Nature, екип от инженери от UNSW Sydney направи това, което един известен учен за първи път предположи през 1961 г., че е възможно, но никой досега не е успял - да бъде контролирано ядрото на един атом, използвайки само електрически полета.
"Това откритие означава, че сега имаме път за изграждане на квантови компютри, използващи едноатомни спинове, без да се нуждаем от осцилиращо магнитно поле за тяхната работа", казва професорът по квантово инженерство на UNSW Андреа Морело. "Освен това можем да използваме тези ядра като изящно точни сензори на електрически и магнитни полета или да отговорим на фундаментални въпроси в квантовата наука."
Това, че ядрения спин може да се управлява с електрически, вместо с магнитни полета, има далечни последици. Генерирането на магнитни полета изисква големи намотки и големи токове, тъй като законите на физиката диктуват, че е трудно да се ограничат магнитните полета до много малки пространства - те имат тенденция да имат широка зона на влияние. От друга страна, електрическите полета могат да бъдат произведени на върха на мъничък електрод и удрят много рязко далеч от върха. Това ще улесни контрола над отделните атоми, поставени в наноелектронните устройства.
Нова парадигма
Проф. Морело казва, че откритието разклаща парадигмата на ядрено-магнитния резонанс, широко използвана техника в различни области като медицина, химия или добив. "Ядрено-магнитния резонанс е една от най-разпространените техники в съвременната физика, химия и дори медицината или минното дело“, казва той. "Лекарите го използват, за да виждат в тялото на пациента много подробно, а минните компании го използват за анализ на скални проби. Всичко това работи изключително добре, но за определени приложения необходимостта от използване на магнитни полета за контрол и откриване на ядрата може да бъде недостатък ."
Проф. Морело използва аналогия с билярдна маса, за да обясни разликата между контролирането на ядрените спинове с магнитни и електрически полета.
"Извършването на магнитен резонанс е като да се опитате да преместите определена топка по билярдна маса, като повдигнете и разклатите цялата маса", казва той. "Ще преместим предвидената топка, но ще преместим и всички останали." За разлика от това, електрическият резонанс е точен удар по една топка - там, където искате, довършва аналогията ученият.
Удивително е, че проф. Морело напълно не бил наясно, че неговият екип е преодолял дългогодишен проблем с намирането на начин да контролира ядрените спинове с електрически полета, предложен за първи път през 1961 г. от пионера на магнитния резонанс и Нобелов лауреат Николас Бломберген.
"Работил съм върху спиновия резонанс 20 години от живота си, но честно казано, никога не бях чувал за тази идея за ядрен електрически резонанс", казва проф. Морело. "Преоткрихме" този ефект по пълна случайност - никога не би ми хрумнало да го търся." В изучаването на ядрения електрически резонанс не е помръднало почти нищо повече от половин век, след провала на първите опити за демонстрация.
Чисто любопитство
Първоначално изследователите имали намерение да извършват ядрено-магнитен резонанс върху един атом антимон - елемент, който притежава голям ядрен спин. Един от водещите автори на работата, д-р Серван Асаад, обяснява: "Първоначалната ни цел беше да проучим границата между квантовия и класическия свят, зададена от хаотичното поведение на ядрения спин. Това беше проект, движен от чисто любопитство, без да се има предвид приложението."
"Въпреки това, след като започнахме експеримента, разбрахме, че нещо не е наред. Ядрото се държеше много странно, отказваше да реагира с определени честоти, но показваше силна реакция при други", спомня си д-р Винсент Мурик, също водещ автор на доклада.
"Това ни озадачи за известно време, докато нямахме нашата "еврика" и разбрахме, че правим електрически резонанс вместо магнитен резонанс."
Д-р Асаад продължи: "Това, което се случи, е, че изработихме устройство, съдържащо атом антимон и специална антена, оптимизирано да създава високочестотно магнитно поле за управление на ядрото на атома. Нашият експеримент изисква това магнитно поле да бъде доста силно, затова приложихме много мощност към антената и я взривихме! "
Играта продължава
"Обикновено с по-малки ядра като фосфор, когато взривите антената, "играта свършва" и трябва да изхвърлите устройството", казва д-р Мурик. "Но с ядрото на антимона експериментът продължи да работи. След повредата антената създава силно електрическо поле вместо магнитно поле. Така че ние преоткрихме ядрения електрически резонанс."
След като демонстрирали способността да управляват ядрото с електрически полета, изследователите използвали сложно компютърно моделиране, за да разберат как точно електрическото поле влияе на спина на ядрото. То потвърдило, че ядреният електрически резонанс е наистина локално, микроскопично явление - електрическото поле изкривява атомните връзки около ядрото, което го кара да се преориентира.
"Този забележителен резултат ще отвори съкровищница от открития и приложения", казва проф. Морело. "Системата, която създадохме, има достатъчна сложност, за да изучава как класическият свят, който преживяваме всеки ден, възниква от квантовата сфера. Освен това, можем да използваме нейната квантова сложност за изграждане на сензори на електромагнитни полета с изключително подобрена чувствителност. И всичко това с просто електронно устройство, направено в силиций, контролирано с малък волтаж, приложени към метален електрод! "
Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2057-7, https://nature.com/articles/s41586-020-2057-7
