电场精确控制单个原子的原子核

研究人员希望利用纳米尺度电极局部控制硅片内单个原子核的量子态。

《自然》杂志报道，澳大利亚新南威尔士大学（UNSW）的工程师们在量子学领域取得了突破性进展：他们仅依靠电场就控制了单个原子中的原子核。该成果不仅解决了半个多世纪以来的科学问题，还将对量子计算机和传感器技术的发展产生重大影响。UNSW量子工程学教授Andrea Morello说：“这一发现意味着我们现在有了利用单原子自旋制造量子计算机的可能。这种方法不需要使用任何振荡磁场。此外，我们还能将其用于精确电场和磁场传感器的开发。”

能够用电场，而非磁场控制原子核自旋，这将产生深远的影响。构建磁场需要大线圈和强电流。然而，磁场的影响范围很广，有可能对其他设备产生影响。微型电极的尖端就能产生电场，并且影响范围较窄，这使得控制纳米电子设备中的单个原子变得更加容易。

Morello教授表示，他们的发现有可能会撼动核磁共振技术。他说：“核磁共振作为广泛应用于医学、化学和矿物学等领域的技术，却不适用于其他某些应用。”

Morello教授以台球桌为例，解释了用磁场和电场控制原子核自旋的区别。他说：“核磁共振成像就像通过摇动台球桌来移动一个特定的台球。虽然目标球移动了，但其他球也跟着移动了。电场控制就像用一根台球杆，去精确击打目标球。”

Morello教授团队发现电场控制原子核自旋的经历是一个意外。最初，研究人员计划在单个锑原子上进行核磁共振实验。论文作者Serwan Asaad博士解释说：“原子核的混沌行为决定了量子世界和经典世界的边界，我们希望对这个领域进行探讨。这是一个完全由好奇心驱动的项目，没有考虑过应用性。”

论文作者Vincent Mourik博士补充说：“然而，当我们开始实验后，就发现了一些奇特的现象——原子核的行为非常怪异，它拒绝在特定频率上作出反应，却在其他频率表现出强烈的反应。这让我们困惑了相当长的一段时间。最后，我们意识到这是电共振，而非磁共振。”

在展示了用电场控制原子核的可行性之后，研究人员利用计算机模型分析了电场对原子核自旋的作用。他们发现，原子核电共振是一种真正意义上的局部、微观效应：电场扭曲了原子核周围的原子键，使其重新定向。Morello教授表示：“这一里程碑式的发现将开启新的应用宝库。我们创造的系统不仅有足够的量子复杂度让研究人员深入理解经典世界和量子世界的联系，还能助力超高灵敏度传感器的开发。”

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编译：雷鑫宇 

审稿：西莫 

责编：唐林芳 

期刊来源：《自然》

期刊编号：0028-0836 

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