Физики из Университета Нового Южного Уэльса (Австралия) открыли явление ядерного электрического резонанса. Об этом сообщается в журнале Nature.
Возможность управления состоянием ядра атома с помощью колебаний электрического поля была предсказана нобелевским лауреатом Николасом Бломбергеном в 1961 году. Однако решение задачи, стоявшей перед учёными почти 60 лет, было найдено в результате случайного стечения обстоятельств.
ЯЭР против ЯМР
В настоящее время известно явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР) — воздействие на ядра атомов с помощью внешнего электромагнитного поля. Генерация магнитных полей требует больших катушек и сильных токов, а область распространения таких полей очень сложно ограничить — они воздействуют на группу атомов.
С открытием ядерного электрического резонанса (ЯЭР) появляется возможность точечного управления ядрами атомов, полагают исследователи. В отличие от электромагнитного, электрическое поле можно создать на кончике крошечного электрода.
«Это открытие означает, что мы выходим на путь создания квантовых компьютеров, используя спин отдельного ядра, без необходимости создания осциллирующего магнитного поля», — говорит профессор квантовой инженерии Университета Нового Южного Уэльса Андреа Морелло, автор работы.
По его словам, воздействуя на квантовое состояние отдельных атомов, можно превратить их в высокоточные датчики магнитных и электрических полей.
Для сопоставления возможностей ЯМР и ЯЭР учёный сравнивает принципы их работы с бильярдным столом.
«Создание магнитного резонанса похоже на попытку передвинуть определённый шар на бильярдном столе путём поднятия и встряхивания стола, — продолжает Морелло. — Мы подвинем нужный нам шар, а вместе с ним и все остальные. Прорыв, связанный с использованием электрического резонанса, подобен тому, как если бы нам дали бильярдный кий».
Любопытство и случайность
Эксперимент, который привёл к открытию, первоначально задумывался как попытка воздействовать с помощью ЯМР на ядро атома сурьмы и исследовать границу между квантовым миром и миром классической механики. Проект, по заверению самих учёных, был обусловлен чистым любопытством и не решал никаких прикладных задач. Более того, им ничего не было известно о предсказании Николаса Бломбергена.
«Едва начав эксперимент, мы осознали: что-то не так. Ядро вело себя очень странно, отказывалось реагировать на одних частотах, но демонстрировало сильную реакцию на других. Это озадачило нас на некоторое время, а затем пришло озарение: вместо магнитного мы создали электрический резонанс», — вспоминает один из руководителей исследования Винсент Маурик.
По словам учёных, для проведения эксперимента требовалось сильное магнитное поле, для создания которого была сконструирована специальная антенна. При подаче большого количества энергии антенна оказалась частично повреждена, однако продолжала работать, создавая сильное электрическое поле вместо магнитного.
Дальнейшее исследование и компьютерное математическое моделирование ЯЭР показало, что электрическое поле искажает атомные связи вокруг ядра, заставляя его переориентироваться.
«Этот знаменательный результат — ключ от сокровищницы, полной открытий», — подытожил профессор Морелло.
По его словам, простой электронный прибор из кремния с небольшим электродом под низким напряжением открывает новую главу в области наноэлектроники, в разработке квантовых компьютеров и датчиков.