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。
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。
莫莱罗教授、穆尔瑞克博士以及阿萨德博士。图片来源：UNSW
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。据悉，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。
半个多世纪以来，整个核电共振领域几乎一直处于休眠状态，因为第一次尝试证明它太具挑战性了。研究人员最初打算对单个锑原子进行核磁共振，锑是一种具有很大核自旋的元素。研究的第一作者阿萨德博士介绍说，我们的最初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设定，这纯粹是一个好奇心驱动的项目，没有考虑到应用，然而开始实验后，研究人员就意识到有些不对劲。
另一位主要作者文森特·穆里克博士说：这种核的行为非常奇怪，拒绝在某些频率上做出反应，但在其他频率上表现出强烈的反应，这让我们困惑了一段时间，直到有了一个‘尤里卡时刻’，意识到我们做的是电共振，而不是磁共振。事情是这样的：研究人员制造了一个包含锑原子和特殊天线装置，优化后产生了一个高频磁场来控制原子核。实验要求这个磁场相当强，所以给天线施加了很大的功率，然后研究人员却把它炸毁了!
通常情况下，对于磷这样较小的原子核，当炸毁天线时‘游戏结束了’，所以必须扔掉这个装置。但对于锑核，实验继续进行，事实证明：在损坏之后，天线产生了一个强大电场，而不是磁场，故而让研究人员‘重新发现’了‘核电共振’。在展示了用电场控制原子核的能力之后，研究人员使用复杂的计算机模型来了解电场究竟是如何影响原子核自旋的。这一研究证明了核电共振是一种真正的局部微观现象：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?莫莱罗教授用桌球台进行比喻，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，”莫莱罗教授说，“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
