Решена 58-летняя загадка квантовой физики. Ученые смогли революционизировать ядерный магнитный резонанс

Как описано в журнале Nature, инженеры открыли, как управлять ядром одного атома, используя электрические, а не магнитные поля. Никто не мог сделать это на практике с того времени, как нобелевский лауреат Николас Бломберген предложил теоретическое решение задачи в 1961 году.

Открытие имеет большое значение. Оно упростит управление отдельными атомами, размещенными в наноэлектрических устройствах, с последствиями для перенастройки ядерного магнитного резонанса - техника, используемая в самых разных областях, таких как современная физика, медицина, химия и горное дело.

«Например, аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ) используются в больницах для создания трехмерных изображений внутренней части тела пациента без каких-либо надрезов», - говорит ведущий ученый проекта Андреа Морелло из Университета Нового Южного Уэльса. «Он работает, обнаруживая присутствие водородных ядерных спинов внутри тела и делает это, применяя импульсы колеблющихся магнитных полей. Мы обнаружили, что подобный результат может быть получен при использовании электрических, а не магнитных полей».

Хотя идея была теоретически предложена несколько десятилетий назад, оказалось, что применять ее на практике крайне сложно, так что, по словам Морелло, она было эффективно забыта на полвека.

«Наш эксперимент требует «пнуть» ядро очень сильными колеблющимися магнитными полями, чтобы сделать его эволюцию хаотичной. Но когда мы это сделали, мы случайно повредили антенну, которая доставляет эти магнитные поля к ядру», - рассказывает Морелло.

Поврежденная антенна может затем создавать только электрическое поле. Их удивило то, что эксперимент все еще работал.

Большая разница между электрическими и магнитными полями заключается в том, как они распространяются. Электрические поля создаются электродом и очень быстро исчезают, поэтому их намного легче экранировать, чем магнитные поля, которые распространяются намного дальше.

«Наше исследование включает в себя управление отдельными атомами в нанометровом масштабе для создания квантовых компьютеров и квантовых датчиков; способность обращаться к атомам с помощью электрических полей даст нам большое преимущество, потому что мы сможем локализовать поля вокруг каждого атома», - говорит Морелло.

Он сравнивает свой метод управление ядром атома с игрой в бильярд - использование магнитных полей - это все равно, что встряхнуть весь стол, который переместит все шары и испортит игру. Электрические же поля позволяют целенаправленно ударить по мячу, который надо переместить.

Морелло в восторге от потенциальных применений открытия, включая и создание датчиков электромагнитных полей с большей чувствительностью, пишет журнал Cosmos.

«И все это в простом электронном устройстве, изготовленном из кремния, с небольшим напряжением, приложенным к металлическому электроду!», - восклицает он.