核電共振:實驗室天線爆炸導致一個諾獎級的發現!
將近60年前,諾貝爾獎獲得者物理學家尼古拉·布隆伯格根(Nicolaas Bloembergen)預言了一種令人興奮的現象,即核電共振。但是直到最近,還沒有人能夠在證實。
剛剛,由于設備故障,澳大利亞新南威爾士大學(UNSW)的實驗室中偶然發現了核電共振的證據。這一突破性的發現使科學家對原子核的控制力升高了一個維度,并可能極大地促進量子計算機的發展。
核電共振的核心思想是,用電場而非磁場來控制單個原子的自旋。這意味著可以對原子核的進行更精確的操作,和更微型的實驗裝置,會在各個領域產生深遠的影響。
新南威爾士大學的量子物理學家安德里亞·莫雷洛說:“這一發現意味著我們現在有了一條使用單原子自旋來構建量子計算機的途徑,無需任何振蕩磁場。此外,我們可以將這些原子核用作電場和磁場的精確傳感器,回答量子科學中的基本問題。”
在某些情況下,核共振有可能取代核磁共振,而核磁共振如今早已是應用廣泛的技術:人體掃描,鑒別化學元素,分析地質形成物等。
磁性選件的問題在于,它需要強大的電流,較大的線圈和空間——請回憶一下醫院里的fMRI掃描儀的規格。
不僅如此,在某些方面它也不夠精確。如果您想控制單個原子核(也許是用于量子計算,或者是非常小的傳感器),那么核磁共振并不是一件趁手的工具。
莫雷洛說:“磁共振就像通過抬起并搖動整張臺球桌來移動臺上的特定球一樣。目標球確實會動,但其他所有球也一樣。電共振就像是給你一根臺球桿。”
在一次核磁共振實驗中,新南威爾士大學的研究人員意外看到了布隆伯根于1961年提出的核電共振效應的特征,同時炸毀了儀器的天線。苦苦思索之后外加反復嘗試之后,研究人員終于意識到,炸掉設備恰好是成功的關鍵!就是因為那個天線才導致核電共振效應無法實現。
通過隨后的計算機建模,研究團隊證明電場可從根本上影響原子核,使原子核周圍的原子鍵變形并使原子重新定向。
既然科學家知道核電共振的機制,他們就能想出應用它的手段。更重要的是,我們又有了一例因偶然導致的重大科學發現。
該研究已發表在《自然》上。