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 Melov
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 nucleus in silicon. Nature579, 205–209 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2057-7
参考来源：
1. https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/engineers-crack-58-year-old-puzzle-way-quantum-breakthrough
2. https://www.nature.com/articles/550458a
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来源：科研圈
编辑：fengyao
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