Загадку из квантовой механики ученые решили случайно

Американский физик и лауреат Нобелевской премии Николас Бломберген еще 59 лет назад предположил, что существует ядерный электрический резонанс (ЯЭР), но доказать это ни у кого не получалось.

Если в случае ядерного магнитного резонанса вращением атомов управляют магнитные поля, то в ситуации с ядерным электрическим резонансом — электрические. Существование ЯЭР означает, что ядрами атомов можно управлять более точно, при этом не используя громоздких устройств. Благодаря этому можно форсировать разработку квантовых компьютеров и другой техники.

В лаборатории Университета Нового Южного Уэльса австралийским ученым удалось получить доказательство существования ЯЭР. Правда, изначально их работа была нацелена на поиск улучшений ядерного магнитного резонанса на примере атома сурьмы. На атом воздействовало магнитное поле, генератором которого выступала антенна.

Однако в экспериментальной установке антенна вышла из строя из-за слишком интенсивной работы, и в результате исследователи получили неожиданные данные — ядро атома по-прежнему реагировало на что-то на отдельных частотах. Ситуацию проанализировали, используя компьютерное моделирование — в итоге оказалось, что задача из квантовой механики, с которой никому не удавалось справиться с 1961 года, решена. Команда ученых смогла продемонстрировать, что электрические поля могут влиять на ядро атома, изменяя атомные связи вокруг ядра и вызывая его переориентацию. Их исследование опубликовано в журнале Nature.

Ядерный электрический резонанс может заменить магнитный

В отдельных случаях ЯЭР может заменить ядерный магнитный резонанс, который сегодня широко применяют для различных целей: сканирования человеческого тела, определения структур химических соединений и многого другого. Проблема использования технологии магнитного ядерного резонанса заключается в том, что она требует мощных токов, громоздких катушек и больших площадей. Яркий тому пример — огромный аппарат для магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Более того, ядерный магнитный резонанс в некотором смысле не самый точный инструмент, особенно если требуется управлять отдельными атомными ядрами, например, для квантовых вычислений или миниатюрных датчиков. По словам квантового 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 ученые 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.