• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Ingenjörer knäcker ett 58-årigt pussel på väg mot kvantgenombrott

    En konstnärs intryck av hur en elektrod i nanometerskala används för att lokalt kontrollera kvanttillståndet för en enskild kärna inuti ett kiselchip. Upphovsman:UNSW/Tony Melov

    En lycklig olycka i laboratoriet har lett till en banbrytande upptäckt som inte bara löste ett problem som pågick i mer än ett halvt sekel, men har stora konsekvenser för utvecklingen av kvantdatorer och sensorer.I en studie publicerad idag i Natur , ett team av ingenjörer vid UNSW Sydney har gjort vad en berömd vetenskapsman först föreslog 1961 var möjligt, men har undgått alla sedan dess:kontrollera kärnan i en enda atom med hjälp av endast elektriska fält.

    "Denna upptäckt innebär att vi nu har en väg att bygga kvantdatorer med enatoms spinn utan att behöva något oscillerande magnetfält för deras funktion, " säger UNSW:s Scientia-professor i kvantteknik Andrea Morello. "Dessutom, vi kan använda dessa kärnor som utsökt exakta sensorer för elektriska och magnetiska fält, eller för att svara på grundläggande frågor inom kvantvetenskap."

    Att ett kärnsnurr kan styras med elektrisk, istället för magnetfält, får långtgående konsekvenser. Att generera magnetfält kräver stora spolar och höga strömmar, medan fysiklagarna dikterar att det är svårt att begränsa magnetfält till mycket små utrymmen - de tenderar att ha ett stort inflytande. Elektriska fält, å andra sidan, kan produceras vid spetsen av en liten elektrod, och de faller av mycket skarpt bort från spetsen. Detta kommer att göra kontrollen över enskilda atomer placerade i nanoelektroniska enheter mycket lättare.

    Ett nytt paradigm

    Prof Morello säger att upptäckten skakar upp paradigmet för kärnmagnetisk resonans, en allmänt använd teknik inom så olika områden som medicin, kemi, eller gruvdrift. "Kärnmagnetisk resonans är en av de mest utbredda teknikerna inom modern fysik, kemi, och till och med medicin eller gruvdrift, " säger han. "Läkare använder den för att se inuti en patients kropp i detalj medan gruvföretag använder den för att analysera stenprover. Allt detta fungerar väldigt bra, men för vissa tillämpningar, behovet av att använda magnetfält för att styra och detektera kärnorna kan vara en nackdel. "

    Prof Morello använder analogin av ett biljardbord för att förklara skillnaden mellan att kontrollera kärnkraftspinn med magnetiska och elektriska fält.

    "Att utföra magnetisk resonans är som att försöka flytta en viss boll på ett biljardbord genom att lyfta och skaka hela bordet, " säger han. "Vi flyttar den avsedda bollen, men vi kommer också att flytta alla andra."

    "Elektrisk resonans genombrott är som att få en riktig biljardklubba för att slå bollen precis där du vill ha den."

    Otroligt, Prof Morello var helt omedveten om att hans team hade knäckt ett långvarigt problem med att hitta ett sätt att kontrollera kärnkraftssnurr med elektriska fält, föreslog första gången 1961 av en pionjär inom magnetisk resonans och Nobelpristagare, Nicolaas Bloembergen.

    "Jag har arbetat med spinresonans i 20 år av mitt liv, men ärligt talat, Jag hade aldrig hört talas om denna idé om kärnelektronisk resonans, " Prof Morello säger. "Vi 'återupptäckte' denna effekt av en fullständig slump - det skulle aldrig ha fallit mig in att leta efter den. Hela området för kärnresonans har varit nästan vilande i mer än ett halvt sekel, efter de första försöken att demonstrera visade det sig vara för utmanande. "

    Av nyfikenhet

    Forskarna hade ursprungligen bestämt sig för att utföra kärnmagnetisk resonans på en enda atom av antimon - ett grundämne som har en stor kärnspinn. En av verkets huvudförfattare, Dr Serwan Asaad, förklarar:"Vårt ursprungliga mål var att utforska gränsen mellan kvantvärlden och den klassiska världen, bestäms av kärnspinnets kaotiska beteende. Detta var ett rent nyfikenhetsdrivet projekt, utan tillämpning i åtanke."

    "Dock, när vi väl började experimentet, vi insåg att något var fel. Kärnan betedde sig väldigt konstigt, vägrar att svara vid vissa frekvenser, men visar ett starkt svar på andra, " minns Dr Vincent Mourik, också en huvudförfattare på tidningen.

    "Det här förbryllade oss ett tag, tills vi hade ett "eureka -ögonblick" och insåg att vi gjorde elektrisk resonans istället för magnetisk resonans. "

    Dr Asaad fortsatte:"Vad som hände är att vi tillverkade en enhet som innehöll en antimonatom och en speciell antenn, optimerad för att skapa ett högfrekvent magnetfält för att styra atomkärnan. Vårt experiment kräver att detta magnetfält ska vara ganska starkt, så vi applicerade mycket kraft på antennen, och vi sprängde det!"

    Spelet på

    "I vanliga fall, med mindre kärnor som fosfor, när du spränger antennen är det "game over" och du måste slänga enheten, " säger doktor Mourik." Men med antimonkärnan, experimentet fortsatte att fungera. Det visar sig att efter skadan, antennen skapade ett starkt elektriskt fält istället för ett magnetfält. Så vi 'återupptäckte' kärnkraftsresonans. "

    Efter att ha demonstrerat förmågan att kontrollera kärnan med elektriska fält, forskarna använde sofistikerad datormodellering för att förstå hur exakt det elektriska fältet påverkar kärnans snurr. Denna ansträngning visade att kärnresonans är en verkligt lokal, mikroskopiskt fenomen:det elektriska fältet förvränger atombindningarna runt kärnan, får den att omorientera sig.

    "Detta landmärkeresultat kommer att öppna upp en skattkammare av upptäckter och tillämpningar, "säger prof Morello." Systemet vi skapade har tillräckligt med komplexitet för att studera hur den klassiska världen vi upplever varje dag kommer ut ur kvantområdet. Dessutom, vi kan använda sin kvantkomplexitet för att bygga sensorer av elektromagnetiska fält med kraftigt förbättrad känslighet. Och allt detta, i en enkel elektronisk enhet gjord i kisel, styrs med små spänningar som appliceras på en metallelektrod!"


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com