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最近，在一個實驗室里發(fā)生了一個令人驚喜的意外事件，由此引發(fā)了物理學(xué)中的一項突破性發(fā)現(xiàn)。它的出現(xiàn)不僅解決了一個長達(dá)半個多世紀(jì)的問題，而且對量子計算機(jī)和傳感器的發(fā)展產(chǎn)生了重大影響。

因激光光譜學(xué)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎的核磁共振先驅(qū)尼可拉斯·布倫柏根（Nicolaas Bloembergen）曾在1961年提出一個設(shè)想，他認(rèn)為我們或許可以僅僅利用電場，就實現(xiàn)對單原子的原子核的控制。然而多年過去，這一目標(biāo)一直未能實現(xiàn)。

直到最近，在一項發(fā)表于《自然》雜志上的論文中，一個澳大利亞的工程師團(tuán)隊宣布他們意外地實現(xiàn)了這一壯舉。

論文的通訊作者、量子工程學(xué)教授Andrea Morello介紹說，這一發(fā)現(xiàn)動搖了核磁共振的范式：“這一發(fā)現(xiàn)意味著，我們現(xiàn)在有了一種可以利用單原子自旋來建造量子計算機(jī)的方法，這種方法的運(yùn)作無需任何振蕩磁場。此外，我們可以利用這些原子核作為極其精確的電場和磁場傳感器，或者用它們來回答量子科學(xué)中的基本問題。”

○ 論文的三位主要作者：Andrea Morello教授、Vincent Mourik博士、Serwan Asaad博士。| 圖片來源：UNSW

核磁共振是現(xiàn)代物理學(xué)、化學(xué)，甚至醫(yī)學(xué)和采礦中最為廣泛使用的技術(shù)之一。醫(yī)生可以用它來詳細(xì)查看病人體內(nèi)的情況，采礦產(chǎn)業(yè)可以用它來分析巖石樣本。可以說，核磁共振對許多應(yīng)用來說都是非常有效的技術(shù)。然而，對于某些特定的應(yīng)用來說，需要依賴磁場來對原子核進(jìn)行控制和探測就成了一個缺點。

從應(yīng)用角度來看，能夠僅僅利用電場（而非磁場）來控制核自旋，都是一件影響深遠(yuǎn)的突破。磁場的產(chǎn)生需要大線圈和大電流，它們的效應(yīng)范圍往往很廣，要把磁場限制在非常小的空間里是非常困難的操作。而與之相反的是，電場可以在一個微小電極的尖端產(chǎn)生，它可以在遠(yuǎn)離電極尖端的位置急劇下降。這種特性使得利用電場來控制納米電子設(shè)備中的單個原子變得容易得多。

Morello教授用臺球桌的類比來解釋磁場和電場控制核自旋的區(qū)別：“磁共振成像就像是試圖通過舉起和搖動整張臺球桌來移動桌上的一個特定臺球。除了移動預(yù)定的球之外，也會移動其他所有的球。電共振這一突破就像拿著一根真正的臺球桿，只把想要打的球打到想要的位置。”

在回顧這一發(fā)現(xiàn)的過程時，Morello教授介紹道，當(dāng)時他完全沒有意識到，他的團(tuán)隊已經(jīng)解決這個長期以來一直困擾著物理學(xué)家的用電場來控制核自旋的難題。

“我研究自旋共振已經(jīng)有20年的時間了，但說實話，我從來沒聽說過核電共振這個概念，”Morello教授說?！拔覀儗@一效應(yīng)的‘重新發(fā)現(xiàn)’純屬偶然，因為我從一開始就沒有想過要去尋找它。在首次對核電共振的研究嘗試就被證明這是一項太具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)之后，半個多世紀(jì)以來，整個核電共振領(lǐng)域幾乎都處于休眠狀態(tài)?！?/span>

一開始，研究人員在銻（Sb）原子上進(jìn)行核磁共振，銻是一種具有很大的核自旋的元素。研究的第一作者Serwan Asaad解釋道：“我們最初的目標(biāo)是探索量子世界和經(jīng)典世界之間的邊界，這是由核自旋的混沌行為所決定的。這純粹是一個由好奇心驅(qū)動的研究項目，并沒有考慮到它的應(yīng)用?！?/span>

然而，當(dāng)實驗開始之后，他們便很快意識到有些地方似乎不對。他們發(fā)現(xiàn)核子的行為非常奇怪——它們會在一些特定的頻率上拒絕做出反應(yīng)，但又在別的一些頻率上卻表現(xiàn)出強(qiáng)烈的反應(yīng)。

Asaad說：“這讓我們困惑了一段時間，直到有天我們突然‘靈光一閃’，才意識到我們做的是電共振，而不是磁共振。”

○ 藝術(shù)構(gòu)想圖：利用納米尺度的電極來局部控制硅片內(nèi)的單個銻原子核的量子態(tài)。| 圖片來源：Tony Melov / UNSW

他們制造了一個由銻原子和一個特殊天線構(gòu)成的裝置，這個裝置被優(yōu)化后，可以產(chǎn)生高頻磁場來控制原子核。Asaad介紹說：“由于實驗需要很強(qiáng)的磁場，所以我們給天線輸入了很大的功率，然后就把它給炸毀了！”

在通常情況下，如果實驗所使用的是如磷一類的較小原子核，那么在天線被炸毀之時，游戲就已經(jīng)結(jié)束——這個設(shè)備就不能再被使用了。然而在使用了銻核的情況下，實驗居然得以繼續(xù)進(jìn)行。他們發(fā)現(xiàn)，在天線被毀之后，它產(chǎn)生了一個強(qiáng)電場，而非磁場。這直接導(dǎo)致了研究人員對核電共振的重新發(fā)現(xiàn)。

在展示了用電場控制原子核的能力之后，研究人員利用復(fù)雜的計算機(jī)模型來了解電場是如何精確地影響原子核的自旋的。這一工作凸顯出了核電共振是一種真正局部的且微觀的現(xiàn)象：電場扭曲了原子核周圍的原子鍵，使其重新定向。

Morello教授說：“這一具有里程碑意義的結(jié)果將開啟一個發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用的寶庫。我們所創(chuàng)造的系統(tǒng)具有足夠的復(fù)雜性來讓我們研究經(jīng)典世界是如何從量子領(lǐng)域浮現(xiàn)出來的。此外，我們可以利用它的量子復(fù)雜性來建造靈敏度得到了大大改善的電磁場傳感器。所有的這一切，都可以在一個簡單的硅制電子設(shè)備里，用施加在金屬電極上的微小電壓來控制?！?/span>