Ядерный Электрический
Резонанс
Неудача во время одного из экспериментов неожиданно помогла инженерам увидеть
на практике то, что было теоретически предсказано 59 лет назад – управление
вращением атомного ядра с помощью электрического, а не магнитного поля.
Группа инженеров из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) собиралась
выяснить, где проходит граница между классическим и квантовым миром. Для
этого они исследовали хаотическое поведение ядерного спина. «Мы не планировали
применять куда-то результаты нашего исследования, – вспоминает доктор
Серван Асаад, один из ведущих авторов работы. – Проект основывался исключительно
на любопытстве!» Всё было готово для выполнения ядерного магнитного
резонанса на атоме сурьмы – элементе с большим ядерным спином. Атом подвергался
воздействию высокочастотного магнитного поля. Для генерации поля применили
специальную антенну. Эксперимент требовал, чтобы магнитное поле было интенсивным,
но, когда исследователи приложили слишком много энергии, антенна взорвалась.
К их удивлению, ядро атома сурьмы продолжало отвечать на какое-то воздействие.
Это происходило лишь на определённых частотах. «Мы были озадачены некоторое
время. А потом нас осенило! – делится другой автор исследования доктор
Винсент Мурик, – Вместо магнитного резонанса мы прямо сейчас выполняем
электрический!» Ядерный электрический резонанс впервые теоретически
предсказал нобелевский лауреат Николас Блумберг в 1961 году. Он предположил,
что существует ядерный электрический резонанс (ЯЭР), но доказать это ни
у кого не получалось. «20 лет я работал над ядерным резонансом и никогда
прежде не слышал об идее Блумберга, – говорит Андреа Морелло,
ещё один участник работы, – Получается, мы «заново» и совершенно случайно
открыли этот эффект!»
Схема установки (ядро сильно
преувеличено авторами окрытия)
После взрыва и повреждения антенна начала генерировать сильное электрическое
поле вместо магнитного. Чтобы понять, как именно электрическое поле вращает
атомное ядро, исследователи провели компьютерное моделирование «неудачного»
эксперимента. Выяснилось, что электрическое поле искажает атомные связи
вокруг ядра – это и заставляет ядро переориентироваться в пространстве.
Авторы исследования уверены: их открытие перевернет парадигму ядерных исследований
в медицине, горной и химической промышленности. Использование магнитного
резонанса ограничено необходимостью работать с магнитными полями. Их генерация
требует больших катушек и сильных токов, рассредотачивая магнитное поле
в большом пространстве. Электрическое поле можно создать крошечным электродом,
а его действие распространяется на меньшие, по сравнению с магнитным полем,
расстояния.
Открытие ядерного электрического резонанса ускорит создание квантовых компьютеров,
а также точных датчиков электромагнитных полей, которые необходимы физикам-теоретикам
для ответа на фундаментальные вопросы науки. «Это открытие означает,
что теперь мы можем создать квантовые компьютеры с использованием атомных
спинов без необходимости использования магнитного поля, – говорит
один из исследователей, профессор квантовой инженерии Университета Нового
Южного Уэльса Андреа Морелло. – Более того, мы можем использовать эти
ядра в качестве особо точных датчиков электрических и магнитных полей или
для ответа на фундаментальные вопросы квантовой физики».
То, что электрические поля можно создавать на кончике крошечного электрода
и ограничивать их достаточно точно, позволяет значительно упростить управление
отдельными атомами, размещёнными в наноэлектронных устройствах.
Новая
работа физиков подчёркивает, что ядерный электрический резонанс является
поистине локальным, микроскопическим явлением: электрическое поле искажает
атомные связи вокруг ядра, заставляя его переориентироваться. По словам
физика Андреа Морелло, одного из авторов исследования, использование магнитного
резонанса напоминает попытку переместить конкретный шар на бильярдном столе,
поднимая стол. Шар перемещается, но вместе с другими шарами. А принцип
работы электрического резонанса уже похож на то, что вам вручили бильярдный
кий, чтобы можно было бить по нужному шару.
Теперь, когда учёные знают, как работает ядерный электрический резонанс,
они будут изучать новые способы его применения. Морелло говорит, что явление
можно использовать для создания датчиков электромагнитных полей с значительно
улучшенной чувствительностью – простых кремниевых электронных устройств
с небольшим напряжением, приложенным к металлическому электроду. «Это
открытие означает, что у нас теперь есть возможность разработки квантовых
компьютеров с использованием одноатомных спинов без каких-либо электромагнитных
колебаний», – говорит Андреа Морелло. Их исследование опубликовано
в журнале Nature.
В
оглавление