澳洲研究人员意外发现“核电共振”现象

58 年后，核磁共振先驱的设想终于得到了印证。当地时间 2020 年 3 月 11 日，《自然》杂志（Nature）刊登了澳大利亚新南威尔士大学（The University of New South Wales，UNSW）量子工程科学教授 Andrea Morello 团队一篇名为 Coherent electrical control of a single high-spin nucleus in silicon（硅中单个高自旋核的相干电控制）的论文。

一次实验中的失误意外地帮助该研究团队动摇了核磁共振的范式（指常规科学赖以运作的理论基础和实践规范，是从事某一科学的研究者群体共同遵从的世界观和行为方式），实现量子计算机和传感器方面的突破。

核磁共振的范式被动摇

上述论文中提到了一个“核自旋”的概念。

我们常说的化学元素是指具有一定核电荷数的原子，原子由原子核和绕核运动的电子组成。所谓核自旋，即原子核自旋角动量，其实是原子核的一个特性——原子核由质子和中子组成，质子和中子都有各自确定的自旋角动量，它们在核内还有轨道运动，相应地有轨道角动量，所有这些角动量的总和就是原子核的自旋角动量。

实际上，核自旋通过磁共振的控制和检测被广泛地利用在各领域，如化学、医学、材料科学和采矿。同时，核自旋也出现在早期的固态量子计算机提案及量子搜索和分解算法的演示中。

具有不同磁性的物质在一定条件下可能出现不同的磁共振，如铁磁共振、亚铁磁共振、反铁磁共振、核磁共振等等。

“核磁共振”想必大部分人都听说过，如今在医学上核磁共振成像已成为一种常见的影像检查方式。实际上，核磁共振技术对于很多领域而言都非常有效，但与此同时，对某些特定领域的应用而言，它还是存在局限性。

基于此，核磁共振先驱、诺贝尔物理学奖得主 Nicolaas Bloembergen 于 1961 年首次提出了只用电场控制单个原子核的设想。半世纪以来，这一设想始终未得到印证，直到最近 Andrea Morello 团队宣布发现了“核电共振”。

【Andrea Morello 团队，图源 UNSW 官网】

实际上，这一发现动摇了核磁共振的范式——这是因为磁场的产生需要大线圈、大电流，它们的效应范围很广，很难把磁场限制在非常小的空间里；而电场可产生于一个微小电极的尖端，能在远离电极尖端的位置急剧下降。正如 Andrea Morello 教授所说：磁共振就像抬起整个台球桌并晃动，从而移动桌上的一个球。电共振的突破就像拥有了一根台球棒，精准击球。

实验室天线爆炸是成功的关键

就研究的初衷而言，Andrea Morello 教授表示：半个多世纪以来，核电共振领域几乎处于休眠状态。20 年来，我一直在研究自旋共振，其实我们的这次发现也完全是偶然。

据 UNSW 官网介绍，研究团队起初是在锑（Sb，该元素具有很大的核自旋）原子上进行核磁共振。该论文作者之一 Serwan Asaad 博士解释说：我们最初的目标是探索由核自旋的混沌行为所决定的量子世界和经典世界之间的边界，纯粹是好奇心驱动，没有考虑到应用。但原子核的反应很奇怪，在某些频率没有反应，但在其他频率上反应强烈。

这无疑让研究团队陷入了困惑，直到研究团队意识到他们是在做电共振，而非磁共振。

因此，科研人员制造了一个由锑原子和特殊天线组成的装置，经过优化，装置产生高频磁场来控制原子核。据悉，该实验要求很强的磁场，因此研究人员给天线输入了很大的功率，于是天线爆炸。

如果研究团队的实验中使用的是磷一类的较小原子核，那么天线被炸毁，就意味着设备无法使用、游戏结束。

但这一“失败”，恰好是成功的关键——由于使用了锑核，天线被毁之后产生了一个强电场，研究人员由此发现了核电共振。

为硅量子计算机铺路

在证明了电场控制原子核的能力之后，研究人员利用微观理论模型，来理解电场如何精确地影响原子核的自旋。

具体来讲，上述模型揭示了核电四极相互作用的纯电调制如何导致由于晶格应变而唯一可寻址的相干核自旋跃迁。自旋去相位（指把相干信号迅速打散，使得不想要的残余信号迅速衰减，从而减少对后面的有用信号的影响）时间（0.1 秒）比通过需要耦合电子自旋来实现电驱动的方法获得的时间长几个数量级。

上述结果表明，利用全电控制，高自旋四极核可以作为混沌模型、应变传感器，以及自旋-机械混合量子系统。将电力可控核与量子点集成，可以为可伸缩的、基于核和电子自旋的硅量子计算机铺路，保证其在不需要振荡磁场的情况下工作。

基于此，研究团队发现核电共振是一种真正的局部微观现象——电场使原子核周围的原子键（一般指由两个原子通过共用电子对而产生的一种化学键）重新定向。

Andrea Morello 教授也表示：这一发现意味着现在有了一条利用单原子自旋来构建量子计算机的途径，不需要任何振荡磁场来运行它们。此外，用这些原子核作为精确的电场和磁场传感器，可以回答量子科学中的基本问题。

在该论文中，研究团队也详细演示了使用在硅纳米电子器件内产生的局部电场对单个锑核的相干量子控制。

【利用纳米尺度的电极局部控制硅片内的单个锑原子核的量子态，图源 UNSW 官网】

值得一提的是，Andrea Morello 不仅是新南威尔士大学量子工程科学教授，也是悉尼一家依托于新南威尔士大学的量子计算和通信先进技术中心的项目经理，并于 2017 年 8 月成立了澳大利亚第一家量子计算公司 Silicon Quantum Computing Pty Ltd，旨在推动量子计算机的发展，并实现商业化。

2017 年 9 月，Andrea Morello 团队发明了一种基于“自旋翻转型量子比特”的量子计算机结构，这一发明也使得大规模制造量子芯片的成本和难度大幅降低，并在学术顶刊《自然.通讯》（Nature Communications）发表相关论文。

Andrea Morello 教授等人也曾表示：我们计划到 2022 年研制出一个 10 量子比特的基于硅基集成电路的芯片，这将是向世界上第一台硅量子计算机迈出的第一步。