Действительно курьезный случай произошел в лабораториях Университета Нового Южного Уэльса, Австралия, когда ученые решили исследовать ядерно-магнитный резонанс на атоме с большим ядерным спином, атоме сурьмы. Первоначальная цель состояла в исследовании границы между квантовым и классическим мирами, когда хаотическое поведение ядерного спина прекращается за счет внешнего магнитного поля. Чисто научная задача, без практического приложения.
Эффект ядерного магнитного резонанса возникает, когда на атомы одновременно воздействуют перпендикулярными друг другу сильным магнитным и слабым электромагнитным полями. Атомное ядро обладает собственным магнитным моментом, жестко связанным со спином ядра. В магнитном поле, в соответствии с квантовой механикой, спин ядра может иметь только два взаимно противоположных направления в пространстве – вдоль и против поля. При этом энергия ядра будет меньше в том случае, когда его магнитный момент сонаправлен с полем. Если теперь передать ядру энергию, “облучая” его квантами электромагнитных волн, то оно сможет скачком перейти в состояние с бОльшей энергией, в котором его спин будет направлен против поля. В макроскопическом образце с большим числом атомов ситуация будет выглядеть так. До включения полей можно считать, что образец находится в «классическом» состоянии, когда отдельные спины направлены случайным образом. После же включения магнитного поля примерно равные количества ядер окажутся ориентированными вдоль и против силовых линий магнитного поля. Если теперь облучить образец электромагнитными волнами с правильно подобранной частотой, то атомные ядра со спином вдоль силовых линий массово перевернуться в противоположную сторону, что будет сопровождаться резким поглощением энергии облучающего поля. Это и есть ЯМР. При этом, чем меньший конгломерат атомов удается исследовать, тем точнее удается исследовать характеристики атомов в «квантовом» состоянии.
Австралийские же ученые решили поставить максимально тонкий эксперимент и исследовать ЯМР на одном единственном атоме сурьмы, для чего изготовили устройство, содержащее атом сурьмы и специальную антенну для управления ядром атома, оптимизированную для создания сильного высокочастотного магнитного поля. Эксперимент сразу пошел не так. Ядро очень странно реагировало на излучение, частоты поглощения были очень далеки от предсказанных. Понимание этого необычного поведения ядра наступило, когда ученые осознали, что вместо магнитного резонанса имеет место электрический.
Одним из требований эксперимента по ЯМР атома сурьмы было сильное магнитное поле. Из-за ошибки ученые подали на антенну слишком много энергии и взорвали ее. Если бы спин ядра был меньше, то на этом бы все и закончилось, никаких видимых эффектов не было бы. Но с ядром сурьмы экспериментальная установка продолжила давать нетривиальную картину. Вместо магнитного поля поврежденная антенна создала сильное электрическое поле, а вместо магнитного резонанса получился электрический резонанс для случая одного ядра, который не удавалось реализовать с 1961 года (!), когда его существование предположил Нобелевский лауреат Николас Бломберген. Дальнейшее исследование и компьютерное моделирование ЯЭР показало, что электрическое поле искажает электронные облака вокруг ядра, заставляя его переориентироваться, как это и должно происходить в соответствии с теорией.
Еще раз отмечу, что вся соль в управлении именно одним атомом. Это важно, потому что в исследованиях динамической структуры кристаллов широко употребим метод ядерного квадрупольного резонанса, когда происходит резонансное поглощение радиоволн за счет квантовых переходов ядер между состояниями с различной ориентацией их электрического квадрупольного момента из-за наличия в кристалле электрических полей. Технической реализации не было именно для ЯЭР у одного единственного атома.
Открытие технологии контроля ядерного спина электрическими полями имеет далеко идущие последствия. Если рассматривать тонкие манипуляции, то у ЯМР есть два существенных недостатка. Во-первых, сильные магнитные поля очень сложно создать, и соответствующие установки весьма велики. Во-вторых, еще больше проблем возникает, когда магнитное поле должно действовать точно в маленьком объеме. Электрический же резонанс таких недостатков лишен. Сильное электрическое поле можно создать на кончике крошечного электрода, при этом напряженность поля резко падает при удалении от острия. Поэтому потенциально использование ЯЭР значительно упростит управление отдельными атомами в наноэлектронных устройствах.
Таким образом, ЯЭР открывает широкие перспективы в тонкой манипуляции атомами. Например, ЯЭР позволит совсем по-другому управлять квантовыми точками, а значит, позволит значительно улучшить элементную базу для квантовых компьютеров, новых источников энергии и много другого.
Мне важно Ваше мнение. Если нравится, ставьте лайк, подписывайтесь.