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最近，实验室发生了一件令人惊奇和意想不到的事件，导致了物理学的突破性发现。它的出现不仅解决了困扰了半个多世纪的问题，而且对量子计算机和传感器的发展产生了重大影响。
核磁共振先驱尼古拉斯·布伦贝根(Nicolas Broenbergen) 于1961 年提出了这一想法，他因在激光光谱方面的工作而获得诺贝尔物理学奖。他相信仅通过控制核电场就有可能探测到单个原子。然而，多年来这个目标一直没有实现。
直到最近，澳大利亚工程师团队在《自然》 杂志上发表的一篇论文中出人意料地实现了这一壮举。
该论文的通讯作者、量子工程学教授安德里亚·莫雷洛（Andrea Morello）表示，这一发现动摇了核磁共振的范式。更重要的是，这种方法即使在没有振荡磁场的情况下也能发挥作用，使得利用这些原子核作为高精度的电和核成为可能。磁场传感器并可以用来回答量子科学中的基本问题。
该论文的三位主要作者：Andrea Morello 教授、Vincent Mourik 博士和Serwan Asaad 博士。 | 图片来源：新南威尔士大学
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核磁共振是现代物理、化学、甚至医学和采矿领域使用最广泛的技术之一。医生可以用它来详细了解患者体内发生的情况，采矿业可以用它来分析岩石样本。 NMR 可以说是一种对于许多应用来说非常有效的技术。然而，对于某些应用来说，一个缺点是需要依赖磁场进行核控制和检测。
从应用角度来看，仅使用电场（而不是磁场）控制核自旋的能力是一项影响深远的突破。产生磁场需要大线圈和大电流，而且其影响范围往往很广，因此将磁场限制在很小的空间内极其困难。相反，电场是在小电极的尖端产生的，并且可以在远离尖端时迅速下降。这种特性使得使用电场控制纳米电子器件中的单个原子变得非常容易。
莫雷洛教授用台球桌类比来解释控制核自旋的磁场和电场之间的差异。 “磁共振成像就像试图通过抬起整个台球桌并摇动它来移动桌子上的特定台球。您不仅移动了预期的球，而且还移动了所有其他球。电共振的进步是就像拿着真正的台球杆并只将球击到您想要的地方一样。
回顾这一发现过程，莫雷洛教授表示，当时他并不知道他的团队已经解决了多年来困扰物理学家的利用电场控制核自旋的问题。
“我研究自旋共振已有20年了，但说实话，我从未听说过核电共振这个概念，”莫雷洛教授说。 “我们‘重新发现’这种效应完全是偶然的。我们从一开始就没有想过去寻找它。我们第一次尝试研究核电共振太困难了。在那之后，整个核电领域实际上一直处于休眠状态。”超过半个世纪。
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首先，研究人员对锑（Sb）原子进行了核磁共振，锑是一种具有大核自旋的元素。该研究的主要作者Serwan Assad 解释道： “我们最初的目标是探索由核自旋的混沌行为决定的量子世界和经典世界之间的边界。这是一个纯粹由好奇心驱动的研究项目。我们正在考虑它的应用。”
然而，实验一开始，我很快就意识到有些不对劲。他们发现原子核在某些频率下拒绝反应，但在其他频率下反应强烈。
阿萨德说：“这让我们困惑了一段时间，但有一天我们突然灵光一现，意识到我们正在做电磁共振，而不是磁共振。”
艺术理念：利用纳米级电极局部控制硅片内单个锑核的量子态。 | 图片来源：Tony Meroff/新南威尔士大学
他们创造了一种由锑原子制成的装置和一种经过优化的特殊天线，可以产生高频磁场来控制原子核。阿萨德说：“实验需要很强的磁场，所以我们向天线输入大量的能量，导致它爆炸！”
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通常，当实验使用磷等小型原子核时，当天线被炸毁并且设备不再可用时，游戏就结束了。然而，锑核心的使用使得实验得以继续。他们发现，天线被摧毁后，产生了强电场而不是磁场。这直接导致研究人员重新发现核电共振。
在展示了用电场控制原子核的能力后，研究人员使用复杂的计算机模型来准确了解电场如何影响原子核的自旋。这项研究强调核电共振是一种真正局部的微观现象。换句话说，电场扭曲了原子核周围的原子键，改变了它的方向。
莫雷洛教授说：“这一突破将打开一个发现和应用的宝库。我们创建的系统将使我们能够探索经典世界如何从量子领域出现。我们可以利用这种量子复杂性。”要构建高度灵敏的电磁场传感器，您可以使用简单的硅电子设备来控制一切，该设备只需向金属电极施加微小的电压即可。 ”
参考来源：
https://newsroom.unsw.edu.au/news/science-tech/engineers-crack-58-year-old-puzzle-way-quantum-breakthrough
来源：原则
编辑：汤姆少校
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