Artist impression van de experimentele opstelling. (UNSW/Tony Melov) Bijna 60 jaar geleden, Nobelprijswinnaar natuurkundige Nicolaas Blombergen voorspelde een opwindend nieuw fenomeen genaamd nucleaire elektrische resonantie. Maar niemand heeft het in actie kunnen demonstreren - tot nu toe.
Feitelijk bewijs van nucleaire elektrische resonantie is nu per ongeluk ontdekt in een laboratorium van de University of New South Wales (UNSW) in Australië, dankzij defecte apparatuur. De doorbraak geeft wetenschappers een nieuw niveau van controle over kernen en zou de ontwikkeling van kwantumcomputers .
Centraal in het fenomeen staat het idee om de spin van individuele atomen te beheersen met behulp van elektrische in plaats van magnetische velden. Dat betekent een nauwkeuriger en meer geminiaturiseerd beheer van kernen, wat op verschillende gebieden ingrijpende gevolgen kan hebben.
'Deze ontdekking betekent dat we nu een manier hebben om kwantumcomputers te bouwen met spins van één atoom zonder dat er een oscillerend magnetisch veld nodig is voor hun werking' zegt kwantumfysicus Andrea Morello , van U.S.W.
'Bovendien kunnen we deze kernen gebruiken als uiterst nauwkeurige sensoren van elektrische en magnetische velden, of om fundamentele vragen in de kwantumwetenschap te beantwoorden.'
In sommige situaties heeft nucleaire elektrische resonantie het potentieel om nucleaire magnetische resonantie te vervangen, die tegenwoordig veel wordt gebruikt voor verschillende doeleinden: voor het scannen van menselijke lichamen, chemische elementen, rotsformaties en meer.
Het probleem met de magnetische optie is dat het krachtige stromen, grote spoelen en een aanzienlijke hoeveelheid ruimte vereist - denk aan de grootte van een fMRI-scanner bijvoorbeeld in uw plaatselijke ziekenhuis.
Niet alleen dat, in sommige opzichten is het ook een beetje een bot instrument. Als je individuele atoomkernen wilt besturen – voor: kwantumcomputer , misschien, of zeer kleine sensoren - dan is kernmagnetische resonantie geen erg goed hulpmiddel voor de klus.
'Het uitvoeren van magnetische resonantie is als proberen een bepaalde bal op een biljarttafel te verplaatsen door de hele tafel op te tillen en te schudden,' zegt Morello . 'We zullen de beoogde bal verplaatsen, maar we zullen ook alle anderen verplaatsen.'
'De doorbraak van elektrische resonantie is alsof je een echte biljartstok krijgt aangereikt om de bal precies te raken waar je hem wilt hebben.'
Het was tijdens een nucleair magnetische resonantie-experiment dat de UNSW-onderzoekers de puzzel van Bloembergen in 1961 hebben gekraakt, en het kwam allemaal neer op een kapotte antenne. Na wat hoofdbrekens over onverwachte resultaten, realiseerden de onderzoekers zich dat hun apparatuur defect was - en nucleaire elektrische resonantie aantoonde.
Met daaropvolgende computermodellering kon het team aantonen dat de elektrische velden een kern op een fundamenteel niveau kunnen beïnvloeden, waardoor de atomaire bindingen rond de kern worden vervormd en deze zichzelf opnieuw oriënteert.
Nu wetenschappers weten hoe nucleaire elektrische resonantie kan werken, kunnen ze nieuwe manieren onderzoeken om het toe te passen. Bovendien kunnen we dit toevoegen aan de groeiende lijst van belangrijke wetenschappelijke ontdekkingen die zijn gedaanper ongeluk gemaakt.
'Dit baanbrekende resultaat zal een schat aan ontdekkingen en toepassingen openen,' zegt Morello . 'Het systeem dat we hebben gemaakt is complex genoeg om te bestuderen hoe de klassieke wereld die we elke dag ervaren uit het kwantumrijk tevoorschijn komt.'
'Bovendien kunnen we de kwantumcomplexiteit ervan gebruiken om sensoren van elektromagnetische velden te bouwen met een sterk verbeterde gevoeligheid. En dat allemaal in een eenvoudig elektronisch apparaatje van silicium, aangestuurd met kleine spanningen op een metalen elektrode.'
Het onderzoek is gepubliceerd in Natuur .