Vor fast 60 Jahren sagte der mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Physiker Nikolaas Bloombergen ein neues Phänomen voraus, das als elektrische Kernresonanz bezeichnet wird. Aber niemand konnte es in Aktion demonstrieren – bis jetzt.
In einem Labor der Universität von New South Wales (UNSW) in Australien wurde aufgrund fehlerhafter Ausrüstung versehentlich ein Hinweis auf elektrische Kernresonanz gefunden. Der Durchbruch gibt Wissenschaftlern ein neues Maß an Kontrolle über Kerne und könnte die Entwicklung von Quantencomputern dramatisch beschleunigen.
Zentral für dieses Phänomen ist die Idee, die Rotation einzelner Atome eher mit elektrischen als mit magnetischen Feldern zu steuern. Dies bedeutet eine genauere Steuerung der Kerne, was verschiedene Bereiche der Wissenschaft betreffen kann.
„Diese Entdeckung bedeutet, dass wir jetzt Quantencomputer mit einatomigen Spins bauen können, ohne dass ein Schwingungsmagnetfeld funktionieren muss“, sagt die Quantenphysikerin Andrea Morello von der UNSW.
“Darüber hinaus können wir diese Kerne als äußerst genaue Sensoren für elektrische und magnetische Felder oder zur Beantwortung grundlegender Fragen der Quantenwissenschaft verwenden.”
In einigen Situationen kann die elektrische Kernresonanz die Kernspinresonanz ersetzen, die heute häufig für verschiedene Zwecke verwendet wird: zum Scannen von menschlichen Körpern, chemischen Elementen, Gesteinsformationen und mehr.
Das Problem mit einem Magnetfeld besteht darin, dass es hohe Ströme, große Spulen und viel Platz benötigt.
Wenn Sie einzelne Atomkerne überwachen möchten – vielleicht für Quantencomputer oder sehr kleine Sensoren -, ist die Kernspinresonanz kein sehr gutes Werkzeug, um damit zu arbeiten.
“Magnetresonanz zu erzeugen ist wie zu versuchen, einen bestimmten Ball auf einen Billardtisch zu bewegen, indem der gesamte Tisch angehoben und geschüttelt wird”, sagt Morello. “Wir werden den Zielball bewegen, aber wir werden auch alle anderen bewegen.”
“Eine Pause im Studium der elektrischen Resonanz zu machen, ist wie einen echten Billardstab zu geben, um den Ball genau dort zu treffen, wo Sie ihn haben wollen.”
Während des Kernspinresonanzexperiments lösten UNSW-Forscher das 1961 von Bloombergen aufgeworfene Problem, und alles hing mit einer kaputten Antenne zusammen. Nach einigen unerwarteten Ergebnissen stellten die Forscher fest, dass ihre Geräte nicht richtig funktionierten – und zeigten eine elektrische Kernresonanz.
In nachfolgenden Computersimulationen konnte das Team zeigen, dass elektrische Felder den Kern auf einer fundamentalen Ebene beeinflussen können, die Atombindungen um den Kern herum verzerren und eine Neuorientierung bewirken.
Jetzt, da Wissenschaftler wissen, wie elektrische Kernresonanz funktionieren kann, können sie neue Verwendungsmöglichkeiten erkunden. Darüber hinaus können wir dies zu einer wachsenden Liste bedeutender wissenschaftlicher Entdeckungen hinzufügen, die versehentlich gemacht wurden.
“Dieses bemerkenswerte Ergebnis wird einen Schatz an Entdeckungen eröffnen”, sagt Morello. “Das System, das wir geschaffen haben, ist hochentwickelt genug, um zu untersuchen, wie die klassische Welt, die wir jeden Tag erleben, aus dem Quantenbereich hervorgeht.”
'Darüber hinaus können wir seine Quantenkomplexität nutzen, um Sensoren für elektromagnetische Felder mit deutlich verbesserter Empfindlichkeit zu erstellen. Und das alles in einem einfachen elektronischen Gerät aus Silizium mit einer kleinen Spannung, die an eine Metallelektrode angelegt wird. '
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Quellen: Foto: UNSW / Tony Melov
