核电共振领域沉睡半个多世纪

　　一次实验室事故几乎烧毁了他们的仪器，但也让他们意识到诺贝尔奖得主尼古拉斯·58年前，布隆伯根提出了一个想法：用电场操纵单个原子核。

　　3月11日，新南威尔士大学的研究小组在《自然》杂志上发布了一份文件。报告成功地实现了核电共振，只使用电场改变了单个原子核的量子状态。这一想法最初由诺贝尔奖得主尼古拉斯公司提出·布隆伯根（NicolaasBloembergen）它是在1961年提出的，但以前从未实现过。如果核电共振能够得到广泛应用，它可能会在科学研究和应用中动摇磁共振“垄断”地位，甚至对量子计算机的研发起着重要的作用。

　　对于研究团队来说，这一成就完全是一个惊喜——他们以前甚至没有听说过布隆伯根的想法。正是仪器爆炸使他们找到了一个新的研究方向。

　　一次愉快的实验事故

　　研究小组最初的计划是对单个锑原子进行核磁共振。这篇论文是由舍尔旺共同组成的·阿萨德（SerwanAsaad）博士解释说：“我们最初的目标是探索量子世界和经典世界之间的边界，而经典世界是基于核自旋混沌行为。这是一个好奇心驱动的项目，我们没有计划任何应用程序方向。”

　　“但在实验开始后，我们发现了一些不太正确的地方。原子核的行为很奇怪。它拒绝对某些频率做出反应，但对其他频率做出强烈反应，”另一个共同作文森特·穆尔瑞克（VincentMourik）博士说，“有一段时间，我们感到非常困惑，直到某个时刻，我们意识到这是核电共振，而不是核磁共振。”

　　阿萨德博士继续说：“事实上，我们制造了一种仪器，包括一个锑原子和一个特殊的天线。我们计划制造高频磁场来控制原子核。这个实验需要高强度的磁场，所以我们对天线施加了大量的动力，然后它就爆炸了!”

　　穆里克指出，如果原子核像磷原子一样小，仪器在天线爆炸后肯定不能使用，“但是我们使用锑原子，仪器可以继续工作。爆炸后，天线产生的不是磁场，而是强大的电场。我们重新发现了核电共振。”

　　被遗忘的想法

　　当时，研究小组没有意识到他们第一次实现了诺贝尔奖得主尼古拉斯·布隆伯根在半个世纪前提出了这个想法。研究通讯作者.UNSW优秀的量子工程教授（ScientiaProfessor）安德里亚·莫莱罗（AndreaMorello）说：“我一生中花了20年时间研究自旋共振，但我真的没有听说过核电共振。我们重新发现了这种效应。这完全是一个意外。我从没想过要找到它。最早的实验验证尝试遇到了许多困难。现在整个核电共振领域已经沉睡了半个多世纪。”

　　莫莱罗教授.穆里克博士和阿萨德博士。图片来源：UNSW

　　核电共振的原理类似于核磁共振，两者都利用了原子的自旋。在原子内，核电荷的分布受到核旋转的影响，形成一个沿核旋转方向的旋转椭球体。核四极矩与电子产生的电场的相互作用是核四极的相互作用。在1961年发表的一篇论文中，尼古拉斯·布隆伯根提出自旋I>1/2.在一定条件下，核电四极矩不为零的原子核可以通过共振电场来调节其核电四极相互作用，从而改变核自旋。

　　然而，当时的核磁共振技术比核磁共振技术成熟得多，布隆伯根本人就是先驱之一。早在20世纪40年代末，布隆伯根在哈佛大学读研究生时，他就和导师爱德华一起学习·珀塞尔（EdwardPurcell）共同开发核磁共振技术。到20世纪70年代初，核磁共振成像仪开始用于体检，然后将其应用于更多领域。布隆伯根也转向了激光光谱学研究，因此他分享了1981年诺贝尔物理学奖。核电共振的想法似乎逐渐被遗忘。

　　打破核磁共振“垄断”

　　现在，新南威尔士大学的研究小组已经证明，它可以用电场改变原子核的自旋，并使用计算机建模进行分析。他们已经证明，原子核电共振是一种真正的微观现象：电场扭曲了原子核周围的键，迫使其转向。

　　用磁场和电场控制原子自旋有什么区别？莫莱罗用桌球台比喻，他说：“磁共振就像举起整个桌子，摇晃它来控制一个球。我们确实可以移动那个球，但我们也可以移动其他球。电共振是一个突破，这相当于给你一个台球杆，你可以用它准确地击中一个球。”

　　如今，磁共振技术已广泛应用于医学领域.化学.在采矿和其他领域，作者指出，如果应用于纳米尺度，电共振的优势远远大于磁共振。磁场通常依赖于大的线圈和强大的电流，而且磁场很难在小范围内受到限制；相比之下，小电极的尖端可能产生强大的电场，电场更容易受到限制或屏蔽。

　　研究作者认为，如果将原子核用量子点连接起来，可以通过电场控制并实现可能有助于在不依赖共振磁场的情况下开发基于原子核自旋和电子自旋的硅量子计算机。

　　“这一发现意味着我们找到了一种方法，可以利用单原子自旋制造量子计算机，而不依赖共振磁场，”莫莱罗说，“在量子科学中，我们还可以使用原子核作为高精度传感器来检测电场和磁场，甚至回答基本问题。”