Несчастный случай во время эксперимента помог ученым доказать, что ядром атома можно управлять не только магнитным полем, но и электрическим. Таким образом они подтвердили гипотезу Николаса Бломбергена, нобелевского лауреата по физике 1981 года. Открытие физиков поможет развивать квантовые компьютеры и сверхчувствительные электромагнитные датчики, пишет пресс-служба Университета штата Новый Южный Уэльс (UNSW, Австралия) со ссылкой на статью в научном журнале Nature.
"Наше открытие означает, что сейчас ученые получили возможность создавать квантовые компьютеры на основе одиночных атомов, без приложения какого-либо магнитного поля. Кроме того, мы можем использовать подобные ядра как невероятно точные датчики электромагнитных полей. Кроме того, с их помощью мы сможем ответить на фундаментальные вопросы квантовой физики", – прокомментировал один из авторов работы, профессор UNSW Андреа Морелло.
Резонансное открытие
Эксперименты ученых основывались на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Он проявляется в веществах, в которых есть ядра с ненулевым магнитным моментом. Это означает, что электрический заряд в таких ядрах "вращается" относительно их ядра.
Если приложить внешнее магнитное поле к такому веществу, то магнитные моменты его ядер переориентируются. В результате такое вещество будет резонансно поглощать или излучать электромагнитную энергию на определенной частоте. Сейчас его используют практически повсеместно – в физике, химии, горном деле и медицине. С помощью этой технологии можно как проанализировать образцы горной породы, так и заглянуть внутрь тела пациента.
Теоретически ЯМР открыл американский физик Исидор Раби в 1938 году, практически его смогли наблюдать Феликс Блох и Эдвард Пёрселл в 1946 году. Спустя полтора месяца после этого открытия к последнему приехал нидерландский ученый Николас Бломберген, и Пёрселл стал его научным руководителем. Впоследствии Бломберген работал над прообразами современных аппаратов магнитно-резонансной томографии. И Раби, и Блох с Пёрселлом, и Бломберген стали лауреатами Нобелевской премии по физике.
В 1961 году, уже будучи доктором наук и профессором, Бломберген предположил, что вращением ядра атома можно управлять не только магнитным полем, но и электрическим. Однако до последнего времени это предположение оставалось лишь теорией.
Удачная неудача
Ученые во главе с Андреа Морелло экспериментировали с ядерным магнитным резонансом на примере одного атома сурьмы – элемента, у ядра которого достаточно большой собственный магнитный момент. Для этого они сконструировали устройство из атома сурьмы и антенны, которая создавала мощное магнитное поле, которое должно было управлять вращением атома.
Однако как только эксперимент начался, ученые поняли, что что-то пошло не так. Магнитное поле оказалось слишком большим и антенна взорвалась. В обычном случае эксперимент с этим должен был прекратиться и нужно было создавать новый прибор. Однако даже без магнитного поля ученые зафиксировали резонансное излучение.
После долгого анализа физики поняли, в чем дело. "Оказывается, что после повреждения антенна вместо магнитного начала генерировать сильное электрическое поле. Таким образом мы "переоткрыли" ядерный электрический резонанс", – рассказал еще один автор работы, Винсент Мурик.
После этого ученые с помощью компьютерного моделирования просчитали, как именно электрическое поле управляет вращением ядра атома сурьмы. Оказалось, что оно искажает атомные связи вокруг ядра, заставляя его переориентироваться.
Магнитное поле vs электрическое поле
Разницу между магнитным и электрическим ядерным резонансом Андреа Морелло объяснил на примере бильярдного стола. Влияние магнитного поля распространяется на большую площадь. Его воздействие на атом похоже на то, если мы для того, чтобы загнать шар в лузу, будем приподнимать весь бильярдный стол. При этом, разумеется, будут двигаться и остальные шары.
Ядерный электрический резонанс при этом действует подобно кию – электрический заряд можно сосредоточить на электроде и с его помощью воздействовать на один-единственный атом.
По словам Морелло, благодаря результату их работы может появиться множество новых открытий в квантовой физике. Кроме того, их можно использовать и на практике – в частности, для создания новых сверхчувствительных датчиков электромагнитных полей.