Een gelukkig ongeluk in het laboratorium heeft geleid tot een baanbrekende ontdekking die niet alleen een probleem oploste dat al meer dan een halve eeuw bestond, maar heeft grote implicaties voor de ontwikkeling van kwantumcomputers en sensoren. In een onderzoek dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , een team van ingenieurs van UNSW Sydney heeft gedaan wat een gevierde wetenschapper in 1961 voor het eerst suggereerde, mogelijk was, maar is sindsdien iedereen ontgaan:de kern van een enkel atoom besturen met alleen elektrische velden.

"Deze ontdekking betekent dat we nu een manier hebben om kwantumcomputers te bouwen met spins van één atoom zonder dat er een oscillerend magnetisch veld nodig is voor hun werking, ", zegt UNSW's Scientia-hoogleraar Quantum Engineering Andrea Morello. "Bovendien, we kunnen deze kernen gebruiken als uiterst nauwkeurige sensoren van elektrische en magnetische velden, of om fundamentele vragen in de kwantumwetenschap te beantwoorden."

Dat een kernspin kan worden bestuurd met elektrische, in plaats van magnetische velden, heeft verstrekkende gevolgen. Het opwekken van magnetische velden vereist grote spoelen en hoge stromen, terwijl de wetten van de fysica dicteren dat het moeilijk is om magnetische velden te beperken tot zeer kleine ruimtes - ze hebben de neiging om een ​​groot invloedsgebied te hebben. elektrische velden, anderzijds, kan worden geproduceerd aan het uiteinde van een kleine elektrode, en ze vallen zeer scherp weg van de punt. Dit zal de controle van individuele atomen die in nano-elektronische apparaten zijn geplaatst veel gemakkelijker maken.

Een nieuw paradigma

Prof Morello zegt dat de ontdekking het paradigma van nucleaire magnetische resonantie door elkaar schudt, een veelgebruikte techniek op gebieden die zo verschillend zijn als de geneeskunde, scheikunde, of mijnbouw. "Nucleaire magnetische resonantie is een van de meest wijdverbreide technieken in de moderne natuurkunde, scheikunde, en zelfs medicijnen of mijnbouw, " zegt hij. "Artsen gebruiken het om tot in detail in het lichaam van een patiënt te kijken, terwijl mijnbouwbedrijven het gebruiken om rotsmonsters te analyseren. Dit werkt allemaal uitstekend, maar voor bepaalde toepassingen de noodzaak om magnetische velden te gebruiken om de kernen te controleren en te detecteren, kan een nadeel zijn."

Prof Morello gebruikt de analogie van een biljarttafel om het verschil uit te leggen tussen het besturen van kernspins met magnetische en elektrische velden.

"Het uitvoeren van magnetische resonantie is als proberen een bepaalde bal op een biljarttafel te verplaatsen door de hele tafel op te tillen en te schudden, "zegt hij. "We zullen de beoogde bal verplaatsen, maar we zullen ook alle anderen verplaatsen."

"De doorbraak van elektrische resonantie is alsof je een echte biljartstok krijgt om de bal precies te raken waar je hem wilt hebben."

wonderbaarlijk, Prof Morello was zich er totaal niet van bewust dat zijn team een ​​al lang bestaand probleem had opgelost bij het vinden van een manier om kernspins met elektrische velden te beheersen, voor het eerst gesuggereerd in 1961 door een pionier op het gebied van magnetische resonantie en Nobelprijswinnaar, Nicolaas Bloembergen.

"Ik heb 20 jaar van mijn leven aan spinresonantie gewerkt, maar eerlijk, Ik had nog nooit gehoord van dit idee van nucleaire elektrische resonantie, "Prof. Morello zegt. "We hebben dit effect per ongeluk 'herontdekt' - het zou nooit bij me opgekomen zijn om ernaar te zoeken. Het hele veld van nucleaire elektrische resonantie is al meer dan een halve eeuw bijna slapend, na de eerste pogingen om te demonstreren bleek het te uitdagend."

uit nieuwsgierigheid

De onderzoekers waren oorspronkelijk bedoeld om nucleaire magnetische resonantie uit te voeren op een enkel atoom antimoon - een element met een grote nucleaire spin. Een van de hoofdauteurs van het werk, Dr. Serwan Asaad, legt uit:"Ons oorspronkelijke doel was om de grens tussen de kwantumwereld en de klassieke wereld te verkennen, bepaald door het chaotische gedrag van de kernspin. Dit was puur een door nieuwsgierigheid gedreven project, zonder toepassing in gedachten."

"Echter, toen we met het experiment begonnen, we beseften dat er iets mis was. De kern gedroeg zich heel vreemd, weigeren te reageren op bepaalde frequenties, maar een sterke reactie tonen bij anderen, " herinnert Dr. Vincent Mourik zich, ook een hoofdauteur op het papier.

"Dit verbaasde ons een tijdje, totdat we een 'eureka-moment' hadden en ons realiseerden dat we elektrische resonantie deden in plaats van magnetische resonantie."

Dr. Asaad vervolgde:"Wat er gebeurde, is dat we een apparaat hebben gefabriceerd dat een antimoonatoom en een speciale antenne bevat, geoptimaliseerd om een ​​hoogfrequent magnetisch veld te creëren om de kern van het atoom te controleren. Ons experiment vereist dat dit magnetische veld behoorlijk sterk is, dus we hebben veel stroom op de antenne gezet, en we bliezen het op!"

Spel aan

"Normaal gesproken, met kleinere kernen zoals fosfor, als je de antenne opblaast is het 'game over' en moet je het apparaat weggooien, "zegt Dr. Mourik." Maar met de antimoonkern, het experiment bleef werken. Het blijkt dat na de schade, de antenne creëerde een sterk elektrisch veld in plaats van een magnetisch veld. Dus we hebben nucleaire elektrische resonantie 'herontdekt'."

Na het aantonen van het vermogen om de kern te besturen met elektrische velden, de onderzoekers gebruikten geavanceerde computermodellering om te begrijpen hoe het elektrische veld de spin van de kern precies beïnvloedt. Deze inspanning benadrukte dat nucleaire elektrische resonantie een echt lokale, microscopisch fenomeen:het elektrische veld vervormt de atomaire bindingen rond de kern, waardoor het zich heroriënteert.

"Dit baanbrekende resultaat zal een schat aan ontdekkingen en toepassingen openen, ", zegt prof. Morello. "Het systeem dat we hebben gemaakt, is voldoende complex om te bestuderen hoe de klassieke wereld die we elke dag ervaren uit het kwantumrijk tevoorschijn komt. Bovendien, we kunnen de kwantumcomplexiteit ervan gebruiken om sensoren van elektromagnetische velden te bouwen met een sterk verbeterde gevoeligheid. En dit alles, in een eenvoudig elektronisch apparaat gemaakt van silicium, gecontroleerd met kleine spanningen op een metalen elektrode!"