（文章來源：量子認(rèn)知）

我們許多人聽說過核磁共振，它廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、化學(xué)、采礦等領(lǐng)域。醫(yī)生使用它非常詳細(xì)地查看患者體內(nèi)，采礦公司使用它來分析巖石樣品。核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，簡稱NMR）是基于原子尺度的量子磁物理性質(zhì)，通過磁場來控制核自旋。

但是許多人一定從沒聽說過核電共振。核電共振（英文：Nuclear Electric Resonance)，是通過電場而不是磁場來控制核自旋。這一概念最先是1961年由磁共振的先驅(qū)、諾貝爾獎(jiǎng)獲得者、尼古拉·布隆伯根（Nicolaas Bloembergen）首次提出。但此后卻使所有人望而卻步，因?yàn)樘y實(shí)現(xiàn)：僅使用電場來控制單個(gè)原子的原子核。

現(xiàn)在，悉尼新南威爾士大學(xué)的科學(xué)家們卻開創(chuàng)了這個(gè)先例，僅使用電場而不是磁場來控制單個(gè)原子的原子核，取得了突破性發(fā)現(xiàn)，解決了長達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的這一難題。而且，令人驚訝的是，研究團(tuán)隊(duì)開始并沒意識(shí)到他們這一發(fā)現(xiàn)，即尋找一種方法來控制電場的核自旋。和許多重大發(fā)明一樣，這一突破性發(fā)現(xiàn)卻是在實(shí)驗(yàn)室中的一次偶然事故所導(dǎo)致的。如下面示意圖所示，科學(xué)家無意間使用了納米級(jí)電極局部控制硅芯片內(nèi)單個(gè)核的量子態(tài)。

新南威爾士大學(xué)量子工程科學(xué)教授安德里亞·莫雷洛（Andrea Morello）說：“這一發(fā)現(xiàn)意味著我們現(xiàn)在有了一條使用單原子自旋來構(gòu)建量子計(jì)算機(jī)的途徑，而無需任何振蕩磁場來進(jìn)行操作?！?“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，或者回答量子科學(xué)中的基本問題。”

可以通過電場而不是磁場來控制核自旋具有深遠(yuǎn)的影響。產(chǎn)生磁場需要大的線圈和高電流，而物理定律表明很難將磁場限制在很小的空間中，因?yàn)樗鼈兺哂泻艽蟮挠绊懛秶?。但是電場可以在微小電極的尖端產(chǎn)生，并且電場會(huì)從尖端急劇下降。這將使對(duì)放置在納米電子器件中的單個(gè)原子的控制更加容易。

莫雷洛教授說，這一發(fā)現(xiàn)改變了核磁共振的范式。他使用臺(tái)球桌的類比來解釋用磁場和電場控制核自旋之間的區(qū)別：“進(jìn)行磁共振就像試圖通過抬起并搖動(dòng)整個(gè)桌子來移動(dòng)臺(tái)球上的特定球?！?“我們將移動(dòng)預(yù)期的球，但我們還將移動(dòng)其他所有球?！薄半姽缠Q的突破就像是將一根實(shí)際的臺(tái)球棍交給要擊中的球一樣?！?/p>

莫雷洛教授說：“我從事自旋共振已經(jīng)20年了，但老實(shí)說，我從未聽說過核電共振。” “我們完全是偶然地'發(fā)現(xiàn)'了這種效應(yīng)，我從來沒有想到過會(huì)發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)。半個(gè)多世紀(jì)以來，核共振的整個(gè)領(lǐng)域幾乎都處于休眠狀態(tài)，如此嘗試會(huì)具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性?！?/p>

研究人員最初計(jì)劃對(duì)單個(gè)銻原子進(jìn)行核磁共振，該銻原子具有較大的核自旋。研究人員解釋說：“我們最初的目標(biāo)是探索由核自旋的混沌行為所設(shè)定的量子世界與古典世界之間的邊界。這純粹是出于好奇驅(qū)動(dòng)的項(xiàng)目，無需考慮任何應(yīng)用程序?！薄暗牵坏╅_始實(shí)驗(yàn)，我們就意識(shí)到出了點(diǎn)問題。核的行為非常奇怪，拒絕在某些頻率下做出反應(yīng)，但對(duì)其他頻率表現(xiàn)出強(qiáng)烈的反應(yīng)?！薄斑@使我們困惑了一段時(shí)間，直到后來我們才醒然大悟，這才意識(shí)到我們是在做電共振而不是磁共振。”

研究人員解釋說：“事情是這樣的，我們制造了一個(gè)包含銻原子和特殊天線的設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化以創(chuàng)建一個(gè)高頻磁場來控制原子核。我們的實(shí)驗(yàn)要求該磁場必須非常強(qiáng)，所以在天線上施加了很強(qiáng)的電能，結(jié)果發(fā)生了爆炸！”研究人員說：“通常，對(duì)于較小的如磷的原子核，當(dāng)天線炸毀時(shí)，意味著就是'游戲結(jié)束'，必須扔掉設(shè)備?！钡牵辛虽R原子核，實(shí)驗(yàn)可繼續(xù)進(jìn)行。損壞后的天線產(chǎn)生的是強(qiáng)電場而不是磁場，所以我們‘重新發(fā)現(xiàn)’了核共振?！?/p>

在展示了利用電場控制原子核的這一現(xiàn)象之后，研究人員使用了復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模型來了解電場究竟如何影響原子核的自旋。這項(xiàng)工作突顯了核電共振是一種真正的局部微觀現(xiàn)象：電場使原子核周圍的原子鍵變形，從而使其自身重新定向。
（責(zé)任編輯：fqj）