Atomiytimen spinin hallinta sähköisesti

Taiteilijan näkemys siitä, kuinka nanometrin mittakaavan elektrodia käytetään yksittäisen ytimen kvanttitilan paikalliseen hallintaan piisirun sisällä.

Ryhmälle UNSW Sydneyn insinööreille tapahtunut onnellinen sattuma laboratoriossa on johtanut läpimurtolöytöön, joka ei ainoastaan ratkaise yli puoli vuosisataista ongelmaa mutta jolla on merkittäviä vaikutuksia kehittää kvanttitietokoneita ja antureita.

"Tämä löytö tarkoittaa, että meillä on nyt reitti rakentaa kvanttitietokoneita käyttämällä yhden atomin spiniä ilman, että niiden toimintaan tarvitaan värähtelevää magneettikenttää", sanoo UNSW:n Scientia Professor of Quantum Engineering Andrea Morello. "Lisäksi voimme käyttää näitä ytimiä erinomaisen tarkkoina sähkö- ja magneettikenttien antureina tai tutkia kvanttitieteen peruskysymyksiä."

Sillä, että atomiytimen spiniä voidaan hallita sähköllä magneettikentän sijasta, on kauaskantoisia seurauksia. Magneettikenttien luominen vaatii suuria käämejä ja suuria virtoja, samalla kun fysiikan lakien mukaan magneettikenttiä on vaikea rajata hyvin pieniin tiloihin.

Ydinmagneettinen resonanssi (NMR) on laajalti käytetty tekniikka esimerkiksi lääketieteen, kemian tai kaivostoiminnan parissa. Magneettiresonanssin edelläkävijä ja Nobel-palkittu Nicolaas Bloembergen ehdotti menetelmää jo vuonna 1961. Siitä lähtien menetelmään on etsitty sähköistä ohjaus/mittausmenetelmää.

Sähkökentät voidaan tuottaa pienenkin elektrodin kärkeen ja ulottuvuusiin. Tämä tekisi nanoelektronisiin laitteisiin sijoitettujen yksittäisten atomien hallinnan paljon helpommaksi.

Erikoista oli että professori Morello ei ollut täysin tietoinen siitä, että hänen ryhmänsä oli murtanut tämän pitkäaikaisen ongelman. Hänelle ei ollut tullut edes mieleen etsiä sitä. Aihe on ollut melkein lepotilassa yli puoli vuosisataa, sen jälkeen kun ensimmäiset osoitusyritykset osoittautuivat liian haastaviksi.

Hänen tutkijansakin olivat alun perin ajatelleet suorittaa ydinmagneettisen resonanssin yhdelle antimoniatomille - elementille, jolla on suuri ytimen spin. Heidän alkuperäinen tavoite oli tutkia kvanttimaailman ja klassisen maailman rajaa, asettamalla ydinspin kaoottiseen käyttäytymiseen. Kyseessä oli puhtaasti uteliaisuuden ohjaama projekti ilman sovellusta mielessä.

"Kun aloitimme kokeilun, huomasimme että jotain oli vialla. Ydin käyttäytyi hyvin omituisesti. Tämä hämmensi meitä hetkeksi, kunnes meillä oli 'eureka-hetki' ja tajusimme ajavamme sähköistä resonanssia magneettisen resonanssin sijasta," toteaa Dr Vincent Mourik.

Tällaisissa tutkimuksissa luodaan koerakenne, jolla korkeataajuinen magneettikenttä ohjaa atomin ydintä. Kokeessa käytetään niin suurta virtaa, että antenni hajoaa. Normaalisti pienemmillä ytimillä, kuten fosforilla antennin hajoamisen jälkeen koe on ohi ja rakenne joutaa heittää pois.

Mutta antimonin ytimen kanssa kokeilu jatkui. Ilmeni, että vaurion jälkeen antenni loi voimakkaan sähkökentän magneettikentän sijasta, Joten löysimme "sähköisen ydinresonanssin".

"Tämä saavutus avaa löytöjen ja sovellusten aarreaitan", iloitsee professori Morello. "Luomassamme järjestelmässä on tarpeeksi monimutkaisuutta tutkia, miten klassinen maailma, jota päivittäin koemme, ilmaantuu kvanttivaltakunnasta.

Lisäksi voimme käyttää sen kvanttikompleksisuutta rakentaa tuntuvasti herkempiä sähkömagneettisten kenttien antureita. Ja kaikki tämä yksinkertaisella piistä valmistetulla rakenteella, jota ohjataan pieniin metallielektrodeihin johdetuilla jännitteillä!"