一次实验室仪器爆炸让诺奖得主58年前的设首日封连铸设备特长家教卫生阀门曝气管
发布时间:2022-09-09 19:57:19 来源:路肩机械网
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常宁,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激光器件应,”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,原子石墨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防滑链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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