Künstlerische Darstellung des Versuchsaufbaus. (UNSW/Tony Melov) Vor fast 60 Jahren Nobelpreisträger für Physiker Nicolaas Blombergen sagte ein aufregendes neues Phänomen namens nukleare elektrische Resonanz voraus. Aber niemand konnte es in der Praxis demonstrieren – bis jetzt.
In einem Labor der University of New South Wales (UNSW) in Australien wurden nun dank fehlerhafter Ausrüstung tatsächliche Beweise für die elektrische Kernresonanz zufällig entdeckt. Der Durchbruch gibt Wissenschaftlern ein neues Maß an Kontrolle über Kerne und könnte die Entwicklung erheblich beschleunigen Quantencomputer .
Im Mittelpunkt des Phänomens steht die Idee, den Spin einzelner Atome mithilfe elektrischer statt magnetischer Felder zu steuern. Das bedeutet eine präzisere und stärker miniaturisierte Verwaltung der Kerne, was tiefgreifende Auswirkungen auf verschiedene Bereiche haben könnte.
„Diese Entdeckung bedeutet, dass wir jetzt einen Weg haben, Quantencomputer zu bauen, die die Spins einzelner Atome nutzen, ohne dass für ihren Betrieb ein oszillierendes Magnetfeld erforderlich ist.“ sagt Quantenphysiker Andrea Morello , von UNSW.
„Darüber hinaus können wir diese Kerne als äußerst präzise Sensoren für elektrische und magnetische Felder oder zur Beantwortung grundlegender Fragen der Quantenwissenschaft verwenden.“
In manchen Situationen hat die elektrische Kernresonanz das Potenzial, die magnetische Kernresonanz zu ersetzen, die heute häufig für eine Vielzahl von Zwecken eingesetzt wird: zum Scannen menschlicher Körper, chemischer Elemente, Gesteinsformationen und mehr.
Das Problem bei der magnetischen Option besteht darin, dass sie starke Ströme, große Spulen und viel Platz erfordert – denken Sie an die Größe eines fMRT-Scanner zum Beispiel in Ihrem örtlichen Krankenhaus.
Darüber hinaus ist es in mancher Hinsicht auch ein etwas stumpfes Instrument. Möchte man einzelne Atomkerne kontrollieren – z Quanten-Computing , vielleicht, oder sehr kleine Sensoren – dann ist die Kernspinresonanz kein besonders gutes Werkzeug für diese Aufgabe.
„Die Durchführung der Magnetresonanztomographie ähnelt dem Versuch, eine bestimmte Kugel auf einem Billardtisch zu bewegen, indem man den gesamten Tisch anhebt und schüttelt.“ sagt Morello . „Wir werden den beabsichtigten Ball bewegen, aber wir werden auch alle anderen bewegen.“
„Der Durchbruch der elektrischen Resonanz ist, als würde man einem echten Billardstock in die Hand gegeben, um den Ball genau dorthin zu schlagen, wo man ihn haben möchte.“
Während eines Kernspinresonanz-Experiments lösten die UNSW-Forscher das von Bloembergen im Jahr 1961 gestellte Rätsel, und alles war auf eine kaputte Antenne zurückzuführen. Nach einigem Kopfzerbrechen über unerwartete Ergebnisse stellten die Forscher fest, dass ihre Ausrüstung fehlerhaft war – und eine elektrische Kernresonanz zeigte.
Mit anschließender Computermodellierung konnte das Team zeigen, dass die elektrischen Felder einen Kern auf grundlegender Ebene beeinflussen können, indem sie die Atombindungen um den Kern herum verzerren und ihn dazu veranlassen, sich neu auszurichten.
Da Wissenschaftler nun wissen, wie die elektrische Kernresonanz funktionieren kann, können sie nach neuen Anwendungsmöglichkeiten suchen. Darüber hinaus können wir dies zur wachsenden Liste bedeutender wissenschaftlicher Entdeckungen hinzufügen zufällig gemacht .
„Dieses bahnbrechende Ergebnis wird eine Fundgrube an Entdeckungen und Anwendungen eröffnen“, sagt Morello . „Das von uns geschaffene System ist komplex 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 bauen.“ Und das alles in einem einfachen elektronischen Gerät aus Silizium, gesteuert durch kleine Spannungen, die an eine Metallelektrode angelegt werden.“
Die Forschung wurde veröffentlicht in Natur .