Um feliz acidente no laboratório levou a uma descoberta revolucionária que não apenas resolveu um problema que durou mais de meio século, mas tem implicações importantes para o desenvolvimento de computadores quânticos e sensores. Em um estudo publicado hoje em Natureza , uma equipe de engenheiros da UNSW Sydney fez o que um famoso cientista sugeriu pela primeira vez em 1961 que era possível, mas iludiu a todos desde então:controlar o núcleo de um único átomo usando apenas campos elétricos.

"Esta descoberta significa que agora temos um caminho para construir computadores quânticos usando spins de um único átomo, sem a necessidade de nenhum campo magnético oscilante para sua operação, "diz a Scientia Professor de Engenharia Quântica da UNSW Andrea Morello." Além disso, podemos usar esses núcleos como sensores primorosamente precisos de campos elétricos e magnéticos, ou para responder a questões fundamentais da ciência quântica. "

Que um spin nuclear pode ser controlado com eletricidade, em vez de campos magnéticos, tem consequências de longo alcance. A geração de campos magnéticos requer grandes bobinas e altas correntes, enquanto as leis da física determinam que é difícil confinar os campos magnéticos a espaços muito pequenos - eles tendem a ter uma ampla área de influência. Campos elétricos, por outro lado, pode ser produzido na ponta de um minúsculo eletrodo, e eles caem muito abruptamente da ponta. Isso tornará o controle de átomos individuais colocados em dispositivos nanoeletrônicos muito mais fácil.

Um novo paradigma

O professor Morello diz que a descoberta abala o paradigma da ressonância magnética nuclear, uma técnica amplamente utilizada em campos tão díspares quanto a medicina, química, ou mineração. "A Ressonância Magnética Nuclear é uma das técnicas mais difundidas da física moderna, química, e até medicina ou mineração, "ele diz." Os médicos usam para ver o interior do corpo de um paciente em grande detalhe, enquanto as empresas de mineração o usam para analisar amostras de rochas. Tudo isso funciona muito bem, mas para certas aplicações, a necessidade de usar campos magnéticos para controlar e detectar os núcleos pode ser uma desvantagem. "

O professor Morello usa a analogia de uma mesa de bilhar para explicar a diferença entre controlar spins nucleares com campos magnéticos e elétricos.

"Realizar a ressonância magnética é como tentar mover uma bola específica em uma mesa de bilhar levantando e sacudindo toda a mesa, "diz ele." Vamos mover a bola pretendida, mas também moveremos todos os outros. "

"O avanço da ressonância elétrica é como receber um taco de bilhar de verdade para acertar a bola exatamente onde você deseja."

Surpreendentemente, O professor Morello não sabia que sua equipe havia resolvido um problema antigo para encontrar uma maneira de controlar as rotações nucleares com campos elétricos, sugerido pela primeira vez em 1961 por um pioneiro da ressonância magnética e ganhador do Prêmio Nobel, Nicolaas Bloembergen.

"Eu trabalho com ressonância de spin por 20 anos da minha vida, mas honestamente, Eu nunca tinha ouvido falar dessa ideia de ressonância elétrica nuclear, "O professor Morello diz." Nós 'redescobrimos' esse efeito por completo acidente - nunca teria me ocorrido procurá-lo. Todo o campo da ressonância elétrica nuclear esteve quase adormecido por mais de meio século, após as primeiras tentativas de demonstrá-lo, foi muito desafiador. "

Por curiosidade

Os pesquisadores haviam originalmente planejado realizar ressonância magnética nuclear em um único átomo de antimônio - um elemento que possui um grande spin nuclear. Um dos principais autores do trabalho, Dr. Serwan Asaad, explica:"Nosso objetivo original era explorar a fronteira entre o mundo quântico e o mundo clássico, definido pelo comportamento caótico do spin nuclear. Este foi um projeto puramente motivado pela curiosidade, sem nenhuma aplicação em mente. "

"Contudo, uma vez que começamos o experimento, percebemos que algo estava errado. O núcleo se comportou de maneira muito estranha, recusando-se a responder em certas frequências, mas mostrando uma forte resposta aos outros, "lembra o Dr. Vincent Mourik, também um dos principais autores do artigo.

"Isso nos intrigou por um tempo, até que tivemos um 'momento eureka' e percebemos que estávamos fazendo ressonância elétrica em vez de ressonância magnética. "

O Dr. Asaad continuou:"O que aconteceu é que fabricamos um dispositivo contendo um átomo de antimônio e uma antena especial, otimizado para criar um campo magnético de alta frequência para controlar o núcleo do átomo. Nosso experimento exige que este campo magnético seja bastante forte, então aplicamos muita energia à antena, e nós explodimos! "

Jogo em

"Normalmente, com núcleos menores como o fósforo, quando você explode a antena, o jogo acaba e você tem que jogar fora o dispositivo, "diz o Dr. Mourik." Mas com o núcleo de antimônio, o experimento continuou a funcionar. Acontece que após o dano, a antena estava criando um forte campo elétrico em vez de um campo magnético. Então, 'redescobrimos' a ressonância elétrica nuclear. "

Depois de demonstrar a capacidade de controlar o núcleo com campos elétricos, os pesquisadores usaram modelagem de computador sofisticada para entender como exatamente o campo elétrico influencia o spin do núcleo. Este esforço destacou que a ressonância elétrica nuclear é verdadeiramente local, fenômeno microscópico:o campo elétrico distorce as ligações atômicas ao redor do núcleo, fazendo com que ele se reoriente.

"Este resultado histórico abrirá um tesouro de descobertas e aplicações, "diz o professor Morello." O sistema que criamos tem complexidade suficiente para estudar como o mundo clássico que vivenciamos todos os dias emerge do reino quântico. Além disso, podemos usar sua complexidade quântica para construir sensores de campos eletromagnéticos com sensibilidade amplamente aprimorada. E tudo isso, em um dispositivo eletrônico simples feito de silício, controlado com pequenas tensões aplicadas a um eletrodo de metal! "