Prawie 60 lat temu fizyk Nikolaas Bloombergen, laureat Nagrody Nobla, przewidział nowe zjawisko zwane jądrowym rezonansem elektrycznym. Ale nikt nie był w stanie tego zademonstrować w działaniu – aż do teraz.
Rzeczywiste dowody jądrowego rezonansu elektrycznego przypadkowo odkryto w laboratorium na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii (UNSW) w Australii, dzięki wadliwemu sprzętowi. Przełom daje naukowcom nowy poziom kontroli nad jądrami i może radykalnie przyspieszyć rozwój komputerów kwantowych.
Centralnym elementem tego zjawiska jest idea kontrolowania rotacji pojedynczych atomów za pomocą pól elektrycznych, a nie magnetycznych. Oznacza to dokładniejsze sterowanie rdzeniami, co może mieć wpływ na różne dziedziny nauki.
„To odkrycie oznacza, że mamy teraz możliwość budowania komputerów kwantowych przy użyciu jednoatomowych spinów bez potrzeby działania jakiegokolwiek wibracyjnego pola magnetycznego” – mówi fizyk kwantowy Andrea Morello z UNSW.
„Co więcej, możemy wykorzystać te jądra jako niezwykle dokładne czujniki pól elektrycznych i magnetycznych lub odpowiedzieć na podstawowe pytania kwantowe”.
W niektórych sytuacjach jądrowy rezonans elektryczny może zastąpić jądrowy rezonans magnetyczny, który jest obecnie szeroko stosowany do różnych celów: do skanowania ciał ludzkich, pierwiastków chemicznych, formacji skalnych i innych.
Problem z polem magnetycznym polega na tym, że wymaga on dużych prądów, dużych cewek i znacznej przestrzeni.
Jeśli chcesz monitorować poszczególne jądra atomowe – być może pod kątem obliczeń kwantowych lub bardzo małych czujników – to magnetyczny rezonans jądrowy nie jest dobrym narzędziem do pracy.
„Wykonywanie rezonansu magnetycznego jest jak próba przeniesienia określonej piłki na stół bilardowy poprzez podnoszenie i potrząsanie całym stołem” – mówi Morello. „Przesuniemy piłkę docelową, ale przeniesiemy również wszystkie pozostałe”.
„Przerwa w rezonansie elektrycznym jest jak podanie prawdziwego kija bilardowego, aby uderzył piłkę dokładnie tam, gdzie chcesz”.
To właśnie podczas eksperymentu jądrowego rezonansu magnetycznego naukowcy z UNSW rozwiązali problem postawiony przez Bloombergena w 1961 r. I wszystko to było związane z pękniętą anteną. Po kilku nieoczekiwanych wynikach naukowcy zdali sobie sprawę, że ich sprzęt działa nieprawidłowo – i wykazali jądrowy rezonans elektryczny.
Dzięki kolejnym symulacjom komputerowym zespół był w stanie wykazać, że pola elektryczne mogą wpływać na jądro na poziomie podstawowym, zniekształcając wiązania atomowe wokół jądra i powodując jego zmianę orientacji.
Teraz, kiedy naukowcy wiedzą, jak może działać rezonans jądrowy, mogą zbadać nowe sposoby jego wykorzystania. Co więcej, możemy dodać to do rosnącej listy znaczących odkryć naukowych, które zostały dokonane przez przypadek.
„Ten niezwykły wynik otworzy skarbnicę odkryć” – mówi Morello. „Stworzony przez nas system jest na tyle złożony, że pozwala zbadać, w jaki sposób klasyczny świat, którego doświadczamy na co dzień, wychodzi z kwantowej sfery”.
„Co więcej, możemy wykorzystać jego złożoność kwantową do stworzenia czujników pól elektromagnetycznych o znacznie zwiększonej czułości. A wszystko to w prostym urządzeniu elektronicznym wykonanym z krzemu z niewielkim napięciem przyłożonym do metalowej elektrody ”.
Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Nature.
Źródła: Zdjęcie: UNSW / Tony Melov
