[導讀]新南威爾斯大學研究團隊 3 月 11 日在《自然》發文，報告成功實現了核電共振，僅使用電場改變單個原子核的量子態。
新南威爾斯大學研究團隊 3 月 11 日在《自然》發文，報告成功實現了核電共振，僅使用電場改變單個原子核的量子態。這一構想最初由諾獎得主尼古拉斯·布隆伯根(Nicolaas Bloembergen)在 1961 年提出，但此前從未有人實現。
莫萊羅教授、穆爾瑞克博士以及阿薩德博士。圖片來源：UNSW
如果核電共振能夠得到廣泛應用，它或許將動搖磁共振在科研和應用中的「壟斷」地位，甚至對量子計算機的研發產生重要作用。
對於研究團隊而言，這個成果完全是個意外驚喜。據悉，一次實驗室事故差點燒毀了他們的儀器，卻也讓他們實現了諾獎得主尼古拉斯·布隆伯根在 58 年前提出的一個設想：用電場操縱單個原子核。
半個多世紀以來，整個核電共振領域幾乎一直處於休眠狀態，因為第一次嘗試證明它太具挑戰性了。研究人員最初打算對單個銻原子進行核磁共振，銻是一種具有很大核自旋的元素。研究的第一作者阿薩德博士介紹說，我們的最初目標是探索量子世界和經典世界之間的邊界，這是由核自旋的混沌行為設定，這純粹是一個好奇心驅動的項目，沒有考慮到應用，然而開始實驗後，研究人員就意識到有些不對勁。
另一位主要作者文森特·穆裡克博士說：這種核的行為非常奇怪，拒絕在某些頻率上做出反應，但在其他頻率上表現出強烈的反應，這讓我們困惑了一段時間，直到有了一個『尤裡卡時刻』，意識到我們做的是電共振，而不是磁共振。事情是這樣的：研究人員製造了一個包含銻原子和特殊天線裝置，優化後產生了一個高頻磁場來控制原子核。實驗要求這個磁場相當強，所以給天線施加了很大的功率，然後研究人員卻把它炸毀了!
通常情況下，對於磷這樣較小的原子核，當炸毀天線時『遊戲結束了』，所以必須扔掉這個裝置。但對於銻核，實驗繼續進行，事實證明：在損壞之後，天線產生了一個強大電場，而不是磁場，故而讓研究人員『重新發現』了『核電共振』。在展示了用電場控制原子核的能力之後，研究人員使用複雜的計算機模型來了解電場究竟是如何影響原子核自旋的。這一研究證明了核電共振是一種真正的局部微觀現象：電場扭曲了原子核周圍的鍵，迫使它轉向。
用磁場和電場控制原子自旋，有怎樣的差異?莫萊羅教授用桌球檯進行比喻，他說：「磁共振就像舉起整張桌子搖晃它，來控制某一個球。我們確實移動能那個球，但同時也會移動其他的球。而電共振是一個突破，這相當於給你一支撞球杆，你能用它精確地把某個球打到期望的地方。」
如今磁共振技術已經被廣泛應用於醫學、化學、採礦等領域，而論文作者們指出，如果要在納米尺度上進行應用，電共振的優勢遠大於磁共振。磁場的產生通常依靠大型線圈和強大的電流，並且磁場很難被約束在小範圍內;相比之下，一個小型電極的尖端就可能產生很強的電場，並且電場更容易被約束或屏蔽。
研究作者們認為，如果將能夠用電場控制的原子核用量子點連接起來，並實現規模化，或許有助於開發出基於原子核自旋和電子自旋的矽量子計算機，且不依靠共振磁場運行。
「這一發現意味著我們找到了一種方法，能夠利用單原子自旋製造不依靠共振磁場運行的量子計算機，」莫萊羅教授說，「我們還能利用原子核作為精度極高的傳感器，用於探測電場和磁場，甚至回答量子科學中的基本問題。」
相關論文：
Asaad, S., Mourik, V., Joecker, B. et al. Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon. Nature579, 205–209 (2020). https://doi.org/10.1038/s41586-020-2057-7