Ученые решили полувековую проблему квантовой физики

Счастливая случайность привела к прорывному открытию, которое не только решило проблему, которая стояла перед учеными более полувека, но и имеет важные последствия для разработки квантовых компьютеров и датчиков.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, команда из инженеров UNSW Сидней сделала то, что впервые было предложено в 1961 году,  но с тех пор так и не реализовано: контроль ядра атома только электрическими полями.

«Это открытие означает, что у нас теперь есть путь для создания квантовых компьютеров, использующих одноатомные спины, без необходимости какого-либо колебательного магнитного поля для их работы», — говорит профессор UNSW Андреа Морелло.

«Более того, мы можем использовать эти ядра в качестве изысканно точных датчиков электрических и магнитных полей или для ответов на фундаментальные вопросы квантовой науки».

То, что спин атомного ядра может контролироваться электрическими, а не магнитными полями, имеет далеко идущие последствия. Генерация магнитных полей требует больших катушек и больших токов, в то время как законы физики диктуют, что трудно ограничить магнитные поля очень маленькими пространствами — они имеют тенденцию иметь широкую область влияния.

Электрические поля, с другой стороны, могут создаваться на кончике крошечного электрода. Это значительно упрощает управление отдельными атомами, размещенными в наноэлектронных устройствах.

Новая парадигма

Андреа Морелло говорит, что открытие встряхивает парадигму ядерного магнитного резонанса, широко используемого метода в таких разных областях, как медицина, химия или горная промышленность.

«Ядерный магнитный резонанс является одним из наиболее распространенных методов в современной физике, химии и даже медицине или горном деле», — говорит он. «Врачи используют его для детального наблюдения за телом пациента, в то время как горнодобывающие компании используют его для анализа образцов горных пород. Все это работает очень хорошо, но для определенных применений необходимость использования магнитных полей для контроля и обнаружения ядер может быть недостатком».

Профессор Морелло использует аналог бильярдного стола, чтобы объяснить разницу между управлением ядерными спинами с помощью магнитного и электрического полей.

«Выполнение магнитного резонанса похоже на попытку переместить определенный шар на бильярдном столу, подняв и потрясти весь стол», — говорит он. «Мы переместим намеченный шар, но мы также переместим и все остальные».

«Прорыв для электрического резонанса подобен тому, как если использовать бильярдный кий, чтобы ударить по мячу именно там, где ты этого хочешь сделать, а не трясти весь стол».

Удивительно, но профессор Морелло совершенно не осознавал, что его команда решила давнюю проблему в поиске способа управления ядерными спинами с помощью электрических полей, впервые предложенную в 1961 году пионером магнитного резонанса и нобелевским лауреатом Николасом Блумбергеном.

«Я работал над спиновым резонансом в течение 20 лет своей жизни, но, честно говоря, я никогда не слышал об этой идее ядерного электрического резонанса», — говорит профессор Морелло. «Мы «заново открыли» этот эффект случайно — мне никогда бы не пришло в голову его искать. Целая область ядерного электрического резонанса бездействовала в течение более полувека после первых попыток ее продемонстрировать.»

Первоначально исследователи решили провести ядерно-магнитный резонанс на одном атоме сурьмы — элементе, обладающем большим ядерным спином. Один из ведущих авторов работы, доктор Серван Асаад, объясняет: «Наша первоначальная цель состояла в том, чтобы исследовать границу между квантовым миром и классическим миром, задаваемую хаотическим поведением ядерного спина. Это было чистое любопытство, без приложения».

«Однако, как только мы начали эксперимент, мы поняли, что что-то не так. Ядро вело себя очень странно, отказываясь отвечать на определенных частотах, но демонстрируя сильный ответ на других».

«Это озадачило нас на некоторое время, пока у нас не наступил «момент эврики», и мы не осознали, что вместо магнитного резонанса мы проводим электрический резонанс».

«Произошло то, что мы изготовили устройство, содержащее атом сурьмы и специальную антенну, оптимизированную для создания высокочастотного магнитного поля для управления ядром атома. Наш эксперимент требует, чтобы это магнитное поле было достаточно сильным Таким образом, мы подали много энергии на антенну и взорвали ее!»

«Как правило, с более мелкими ядрами, такими как фосфор, когда вы взрываете антенну, игра окончена, и вы должны выбросить устройство. Но с ядром сурьмы эксперимент продолжал работать, и после повреждения антенна создала сильное электрическое поле вместо магнитного. Поэтому мы «заново открыли» ядерный электрический резонанс».

После демонстрации способности управлять ядром с помощью электрических полей, исследователи использовали сложное компьютерное моделирование, чтобы понять, как именно электрическое поле влияет на вращение ядра. Эти усилия подчеркнули, что ядерный электрический резонанс является действительно локальным микроскопическим явлением: электрическое поле искажает атомные связи вокруг ядра, заставляя его переориентироваться.

«Этот знаменательный результат откроет сокровищницу новых знаний и приложений», — говорит профессор Морелло. «Созданная нами система обладает достаточной сложностью для изучения того, как классический мир, с которым мы сталкиваемся каждый день, выходит из квантовой сферы. Более того, мы можем использовать ее квантовую сложность для создания датчиков электромагнитных полей с значительно улучшенной чувствительностью. И все это в простом виде. Электронное устройство, выполненное из кремния, с небольшим напряжением, приложенным к металлическому электроду!»

Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon, Nature (2020). DOI: 10.1038/s41586-020-2057-7 , https://nature.com/articles/s41586-020-2057-7