Un felice incidente in laboratorio ha portato a una scoperta rivoluzionaria che non solo ha risolto un problema che resisteva da più di mezzo secolo, ma ma ha importanti implicazioni per lo sviluppo di computer e sensori quantistici. In uno studio pubblicato oggi in Natura , un team di ingegneri dell'UNSW Sydney ha fatto ciò che un famoso scienziato ha suggerito per la prima volta nel 1961 che fosse possibile, ma da allora è sfuggito a tutti:controllare il nucleo di un singolo atomo usando solo campi elettrici.

"Questa scoperta significa che ora abbiamo un percorso per costruire computer quantistici utilizzando spin di singoli atomi senza la necessità di alcun campo magnetico oscillante per il loro funzionamento, ", afferma Andrea Morello, professore di scientia dell'UNSW di ingegneria quantistica. "Inoltre, possiamo usare questi nuclei come sensori squisitamente precisi di campi elettrici e magnetici, o per rispondere a domande fondamentali nella scienza quantistica."

Che uno spin nucleare può essere controllato con l'elettricità, al posto dei campi magnetici, ha conseguenze di vasta portata. La generazione di campi magnetici richiede bobine di grandi dimensioni e correnti elevate, mentre le leggi della fisica impongono che è difficile confinare i campi magnetici in spazi molto piccoli, tendono ad avere un'ampia area di influenza. Campi elettrici, d'altra parte, può essere prodotto sulla punta di un minuscolo elettrodo, e cadono molto bruscamente dalla punta. Ciò renderà molto più semplice il controllo dei singoli atomi posti nei dispositivi nanoelettronici.

Un nuovo paradigma

Il professor Morello afferma che la scoperta scuote il paradigma della risonanza magnetica nucleare, una tecnica ampiamente utilizzata in campi disparati come la medicina, chimica, o minerario. "La Risonanza Magnetica Nucleare è una delle tecniche più diffuse nella fisica moderna, chimica, e anche la medicina o l'estrazione mineraria, " dice. "I medici lo usano per vedere all'interno del corpo di un paziente in modo molto dettagliato mentre le compagnie minerarie lo usano per analizzare campioni di roccia. Funziona tutto molto bene, ma per alcune applicazioni, la necessità di utilizzare campi magnetici per controllare e rilevare i nuclei può essere uno svantaggio".

Il professor Morello usa l'analogia di un tavolo da biliardo per spiegare la differenza tra il controllo degli spin nucleari con campi magnetici ed elettrici.

"Eseguire la risonanza magnetica è come cercare di muovere una particolare palla su un tavolo da biliardo sollevando e scuotendo l'intero tavolo, " dice. "Sposteremo la palla prevista, ma sposteremo anche tutti gli altri".

"La svolta della risonanza elettrica è come ricevere un vero bastone da biliardo per colpire la palla esattamente dove vuoi."

Sorprendentemente, Il professor Morello era completamente all'oscuro del fatto che il suo team avesse risolto un problema di vecchia data nel trovare un modo per controllare gli spin nucleari con campi elettrici, suggerito per la prima volta nel 1961 da un pioniere della risonanza magnetica e premio Nobel, Nicolaas Bloembergen.

"Ho lavorato sulla risonanza di spin per 20 anni della mia vita, ma onestamente, Non avevo mai sentito parlare di questa idea di risonanza elettrica nucleare, " Dice il professor Morello. "Abbiamo 'riscoperto' questo effetto per caso, non mi sarebbe mai venuto in mente di cercarlo. L'intero campo della risonanza elettrica nucleare è rimasto quasi inattivo per più di mezzo secolo, dopo i primi tentativi di dimostrarlo si è rivelato troppo impegnativo".

Per curiosità

I ricercatori avevano originariamente deciso di eseguire la risonanza magnetica nucleare su un singolo atomo di antimonio, un elemento che possiede un grande spin nucleare. Uno dei principali autori dell'opera, Dottor Serwan Asaad, spiega:"Il nostro obiettivo originale era esplorare il confine tra il mondo quantistico e il mondo classico, determinato dal comportamento caotico dello spin nucleare. Questo era puramente un progetto guidato dalla curiosità, senza alcuna applicazione in mente."

"Però, una volta iniziato l'esperimento, ci siamo resi conto che qualcosa non andava. Il nucleo si è comportato in modo molto strano, rifiutandosi di rispondere a determinate frequenze, ma mostrando una forte risposta agli altri, " ricorda il dottor Vincent Mourik, anche un autore principale sulla carta.

"Questo ci ha lasciato perplessi per un po', fino a quando non abbiamo avuto un "momento eureka" e ci siamo resi conto che stavamo facendo la risonanza elettrica invece della risonanza magnetica."

Il dottor Asaad ha continuato:"Quello che è successo è che abbiamo fabbricato un dispositivo contenente un atomo di antimonio e un'antenna speciale, ottimizzato per creare un campo magnetico ad alta frequenza per controllare il nucleo dell'atomo. Il nostro esperimento richiede che questo campo magnetico sia abbastanza forte, quindi abbiamo applicato molta potenza all'antenna, e l'abbiamo fatto esplodere!"

Inizio partita

"Normalmente, con nuclei più piccoli come il fosforo, quando fai esplodere l'antenna è "game over" e devi buttare via il dispositivo, " dice il dottor Mourik. "Ma con il nucleo di antimonio, l'esperimento continuò a funzionare. Si scopre che dopo il danno, l'antenna stava creando un forte campo elettrico invece di un campo magnetico. Così abbiamo "riscoperto" la risonanza elettrica nucleare".

Dopo aver dimostrato la capacità di controllare il nucleo con campi elettrici, i ricercatori hanno utilizzato una sofisticata modellazione al computer per capire come esattamente il campo elettrico influenzi lo spin del nucleo. Questo sforzo ha evidenziato che la risonanza elettrica nucleare è un vero e proprio locale, fenomeno microscopico:il campo elettrico distorce i legami atomici attorno al nucleo, facendolo riorientare.

"Questo risultato epocale aprirà un tesoro di scoperte e applicazioni, " afferma il prof Morello. "Il sistema che abbiamo creato ha una complessità sufficiente per studiare come il mondo classico che sperimentiamo ogni giorno emerga dal regno quantistico. Inoltre, possiamo usare la sua complessità quantistica per costruire sensori di campi elettromagnetici con una sensibilità notevolmente migliorata. E tutto questo, in un semplice dispositivo elettronico realizzato in silicio, controllato con piccole tensioni applicate a un elettrodo metallico!"