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Uma impressão artística de como um eletrodo em escala nanométrica é usado para controlar localmente o estado quântico de um único núcleo dentro de um chip de silício. Crédito: UNSW / Tony Melov
Um feliz acidente no laboratório levou a uma descoberta inovadora que não apenas resolveu um problema que durou mais de meio século, mas também tem importantes implicações para o desenvolvimento de computadores e sensores quânticos.Em um estudo publicado hoje na Nature , uma equipe Um dos engenheiros da UNSW Sydney fez o que um célebre cientista sugeriu pela primeira vez em 1961 era possível, mas iludiu todos desde então: controlando o núcleo de um único átomo usando apenas campos elétricos.
"Essa descoberta significa que agora temos um caminho para construir computadores quânticos usando rotações de átomo único sem a necessidade de qualquer campo magnético oscilante para sua operação", diz Andrea Morello, professora de engenharia quântica da UNSW. "Além disso, podemos usar esses núcleos como sensores requintadamente precisos dos campos elétrico e magnético, ou para responder a perguntas fundamentais da ciência quântica".
O fato de um spin nuclear poder ser controlado com campos elétricos, 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 limitar os campos magnéticos a espaços muito pequenos - eles tendem a ter uma ampla área de influência. Os campos elétricos, por outro lado, podem ser produzidos na ponta de um eletrodo minúsculo e caem muito bruscamente para longe da ponta. Isso facilitará muito o controle de átomos individuais colocados em dispositivos nanoeletrônicos.
Um novo paradigma
Morello diz que a descoberta abala o paradigma da ressonância magnética nuclear , uma técnica amplamente usada em campos tão díspares quanto medicina, química ou mineração. "A ressonância magnética nuclear é uma das técnicas mais difundidas na física moderna, na química e até na medicina ou mineração", diz ele. "Os médicos o usam para ver em detalhes o corpo do paciente, enquanto as empresas de mineração o analisam. Isso tudo 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 ressonância magnética é como tentar mover uma bola específica em uma mesa de bilhar, levantando e agitando a mesa inteira", diz ele. "Vamos mover a bola pretendida, mas também todas as outras".
"O avanço da ressonância elétrica é como receber um taco de bilhar para acertar a bola exatamente onde você deseja".
Surpreendentemente, o professor Morello não sabia que sua equipe havia resolvido um problema antigo de encontrar uma maneira de controlar spins nucleares com campos elétricos, sugerida pela primeira vez em 1961 por um pioneiro da ressonância magnética e o ganhador do Nobel, Nicolaas Bloembergen.
"Eu trabalho com ressonância de spin há 20 anos da minha vida, mas honestamente, nunca ouvi falar dessa idéia de ressonância elétrica nuclear", diz Morello. "Redescobrimos esse efeito por completo acidente - nunca me ocorreria procurá-lo. Todo o campo da ressonância elétrica nuclear está quase inativo por mais de meio século, depois que as primeiras tentativas de demonstrar se provaram demais. desafiador."
Por curiosidade
Os pesquisadores originalmente se propuseram a realizar ressonância magnética nuclear em um único átomo de antimônio - um elemento que possui uma grande rotação 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, estabelecida pelo comportamento caótico do spin nuclear . Isso era puramente uma curiosidade." projeto orientado, sem aplicação em mente ".
"No entanto, quando começamos o experimento, percebemos que algo estava errado. O núcleo se comportou de maneira estranha, recusando-se a responder em determinadas frequências, mas mostrando uma forte resposta em outras", lembra o Dr. Vincent Mourik, também autor principal do estudo. papel.
"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 foi que fabricamos um dispositivo contendo um átomo de antimônio e uma antena especial, otimizados para criar um campo magnético de alta frequência para controlar o núcleo do átomo. Nosso experimento exige que esse campo magnético seja bastante forte. , então aplicamos muita energia à antena e explodimos! "
Game on
"Normalmente, com núcleos menores como fósforo, quando você explode a antena, o jogo acaba e você precisa jogar fora o dispositivo", diz Dr. Mourik. "Mas, com o núcleo do antimônio, o experimento continuou a funcionar. após o dano, a antena estava criando um forte campo elétrico em vez de um campo magnético . Então, 'redescobrimos' a ressonância elétrica nuclear ".
Após demonstrar a capacidade de controlar o núcleo com campos elétricos, os pesquisadores usaram modelagem computacional sofisticada para entender como exatamente o campo elétrico influencia a rotação do núcleo. Esse esforço destacou que a ressonância elétrica nuclear é um fenômeno microscópico verdadeiramente local: 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 vivemos todos os dias emerge do reino quântico. Além disso, podemos usar sua complexidade quântica para construir sensores de campos eletromagnéticos com uma sensibilidade muito melhorada. E tudo isso, de uma maneira simples. dispositivo eletrônico fabricado em silicone, controlado com pequenas tensões aplicadas a um eletrodo de metal! "
Explorar mais
Mais informações: Controle elétrico coerente de um único núcleo de giro alto em silício, Nature (2020). DOI: 10.1038 / s41586-020-2057-7 , https://nature.com/articles/s41586-020-2057-7
Informações da revista: Nature
Fornecido por University of New South Wales
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HélioR.M.Cabral (Economista, Escritor e Divulgador de conteúdos da Astronomia, Astrofísica,
Astrobiologia e Climatologia).
Membro da Society for Science and the Public
(SSP) e assinante de conteúdos científicos da NASA (National Aeronautics and
Space Administration) e ESA (European Space Agency).
Participa do
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Projeto CERES (Clouds and Earth´s Radiant Energy System) administrado pela
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da Sociedade Astronômica Brasileira (SAB), como astrônomo amador.
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objetivo de monitorar o Clima em toda a Terra. Este projeto é patrocinado pela
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