Felrobbant a kísérleti mágnes, nem is hinné, mekkora szerencsére

2020.03.22. 16:32

Egy váratlanul jól elsült laboratóriumi balesetnek köszönhetően egy több mint fél évszázados kvantumfizikai problémát sikerült megoldani. Az eredmény a kvantumszámítógépek építésében is áttörést hozhat.

Elektromos mezővel vezérelhető egy magányos atom magja

Az Új-Dél-Walesi Egyetem (University of New South Wales, Sydney, Ausztrália) mérnökeinek kísérlete közben egy erős mágneses mezőt generáló antenna a rá kapcsolt nagy teljesítménytől megadta magát és eldurrant.

A kutatók azonban észrevették, hogy a műszer továbbra is működik, csak mágneses helyett elektromos mezőt állít elő, így kíváncsiságból folytatták a kísérletet.

Egy atom művészi ábrázolásaForrás: FORRÁS: HTTPS://NEWSROOM.UNSW.EDU.AU

Érdemes volt: a megfigyelések nyomán leszűrt tapasztalataikat a Nature folyóiratban közölték, mivel kiderült, hogy sikerült igazolniuk egy ünnepelt fizikus 1961-ben megfogalmazott sejtését:

megmutatták, hogy pusztán elektromos mezővel lehetséges egy magányos atom magját vezérelni.

„Ez a felfedezés azt jelenti, hogy immár ismerjük a módját, miként építhetünk magányos atomok spinjén alapuló kvantumszámítógépet anélkül, hogy oszcilláló mágneses terekre lenne szükségünk a működtetésükhöz – foglalta össze Andrea Morello, az UNSW kvantummérnök professzora.

Forrás: Nature

– Hovatovább ezeket a magányos atommagokat az elektromos és mágneses mezők páratlanul pontos érzékelőiként használhatjuk, és a kvantumtudomány alapvető kérdéseit kutathatjuk általuk."

Alapvető változásokat hozhat a felfedezés

Annak, hogy az atommag spinje mágneses helyett elektromos mezővel is befolyásolható, messze ható következményei lesznek a jövőre nézve.

A mágneses mezők létrehozásához nagy tekercsekre és erős áramokra van szükség, miközben a fizika törvényei szerint a mágneses mezőket nehéz kis térfogatra korlátozni, mert tipikusan széles a hatástartományuk.

Az atommag körül az elektronok felhőt alkotnakForrás: Wikimedia Commons

Elektromos mezőt viszont simán létre lehet hozni egy parányi elektród csúcsán úgy, hogy a mező erőssége a csúcstól távolodva meredeken zuhan.

Ez azt jelenti, hogy elektromos mezővel sokkal egyszerűbb lesz kontrollálni a nanoelektronikai eszközök lelkét adó egyedi atomokat. Morello professzor kiemelte:

a felfedezés alapjaiban kavarja fel a mágneses magrezonancia kutatási területét.

Ezt a fizikai jelenséget az orvoslástól a vegyészeten át a bányászatig számos gyakorlati alkalmazás kihasználja.

Széelskörű alkalmazásr nyit lehetőséget a felfedezés, például a gyógyászatbanForrás: tsnghua.edu.cn

„A mágneses magrezonancia a modern fizikában és kémiában, de az orvosi képalkotásban és a bányászatban is az egyik legelterjedtebb technika – hangsúlyozta Morello.

Az orvosok a beteg testének belsejét tudják vele nagy pontossággal leképezni, a bányásztársaságok pedig kőzetmintákat elemeznek a segítségével.

- És mindez remekül működik is, de akadnak olyan alkalmazások, ahol kimondott hátrányt jelent, hogy az atommagok kontrollálásához és észleléséhez mágneses mezőket kell használnunk."

Olyan, mint a billiárddákó

A professzor egy biliárdasztal érzékletes hasonlatával világította meg a különbséget aközött, hogy az atommagokat mágneses vagy elektromos mezővel irányítjuk.

„Amikor az atommagokat mágneses mezővel próbáljuk irányítani, az olyan,

mintha egy biliárdgolyót úgy próbálnánk mozgásra bírni, hogy az egész asztalt felemeljük és rázni kezdjük.

Kétségtelenül megmozdítjuk a kívánt golyót, de úgy, hogy közben az összes többit is mozgásba hozzuk.

A kvantumfizika világában semmi sem lehetetlenForrás: Live Science

Az elektromos rezonancia ehhez képest olyan áttörést jelent, mintha a kezünkbe kapnánk a dákót, amivel hajszálpontosan meg tudjuk célozni az elütni kívánt golyót."

Sajátos módon Morellónak fogalma sem volt, hogy csoportjával olyan problémát sikerült akaratlanul megoldaniuk, amelyet csaknem 60 éve, 1961-ben vetett fel a mágneses rezonancia jelenségének Nobel-díjas úttörője, Nicolaas Bloembergen.

Nicolaas Bloembergen (1920 - 2017) holland-amerikai Nobel-díjas fizikusForrás: Wikimedia Commons/ Dutch National Archives, The Hague, Fotocollectie Algemeen Nederlands Persbureau

Húsz évet töltöttem az életemből a spinrezonancia jelenségének kutatásával, de őszintén szólva soha nem hallottam korábban az elektromos magrezonancia lehetőségéről"

– vallotta be a professzor.

– Az, hogy mintegy újrafelfedeztük ezt a jelenséget, teljességgel a véletlennek köszönhető. Magamtól sosem jutott volna eszembe, hogy szándékosan kutassam.

Az elektromos magrezonancia egész kutatási területe több mint fél évszázadon át Csipkerózsika-álmát aludta,

miután a bizonyítására tett első kísérletek a technika akkori állása mellett kudarcra voltak ítélve."

Barkácsolt eszközzel irányították az atommagot

A kutatók eredetileg a nagy atommagspinnel rendelkező antimon egyetlen magányos atomján szerettek volna mágneses magrezonanciát létrehozni.

"Eredeti célunk a kvantumvilág és a klasszikus világ közötti határterület felfedezése volt az atommagspin kaotikus viselkedésén keresztül. A projektet kizárólag a kíváncsiságunk hajtotta, semmiféle gyakorlati alkalmazás terve nem volt a fejünkben"

– meséli Dr. Serwan Asaad, a cikk egyik vezető szerzője.

Az atomok világa merőben más, mint a makrokozmoszForrás: Phys. org/ https://phys.org/news/2018-12-gravity-mathematically-dynamics-subatomic-particles.html

Szerzőtársa, Vincent Mourik így fűzi tovább a történetet: „Ám ahogy belefogtunk a kísérletbe, rögtön észrevettük, hogy valami nem stimmel.

A mag nagyon furcsán viselkedett: egyes frekvenciákra nem volt hajlandó válaszolni, miközben másokra erős választ adott.

Egy darabig értetlenül álltunk ezelőtt, mígnem eljött a heuréka-pillanat, amikor ráébredtünk, hogy mágneses helyett elektromos magrezonanciát idéztünk elő."

(A kép illusztráció)Forrás: Phys.org/https://phys.org/news/2018-03-underway.html

„Az történt, hogy barkácsoltunk egy eszközt,

amely tartalmazta az antimon-atomot, illetve egy speciális antennát,

amely az atommag irányítására alkalmas nagyfrekvenciájú mágneses mező létrehozására volt optimalizálva – veszi vissza a szót Asaad. – A kísérletünkhöz nagyon erős mágneses mezőre volt szükségünk, úgyhogy jól odapörköltünk az antennának – olyannyira, hogy felrobbantottuk."

Nem lett vége a „játéknak" az antenna felrobbanásával

„Normálisan, ha más, kisebb atommagokkal – mondjuk a foszforéval – dolgozunk, az antenna felrobbanásával vége a játéknak – magyarázza Mourik. – De az antimon magjával a kísérlet továbbra is működött.

Kiderült, hogy az apró baleset után az antennánk mágneses mező helyett erős elektromos mezőt generált.

Így esett, hogy újra felfedeztük az elektromos magrezonanciát." Miután megmutatták, hogy képesek az atommagot elektromos mezővel vezérelni, a kutatók kifinomult számítógépes modellt készítettek annak megértésére, pontosan hogyan befolyásolja az elektromos mező a mag spinjét.

Még ma sem értjük teljesen a szubatomi világban játszódó folyamatokatFotó: Pályi Zsófia [origo]

E komplex feladat megoldása közben világossá vált, hogy az elektromos rezonancia valóban helyi, mikroszkopikus szintű jelenség:

az elektromos mező eltorzítja a mag körüli atomi kötéseket, s ez kényszeríti a magot orientációjának megváltoztatására.

A felfedezés sokat lendíthet a kvantumszámítógépek fejlesztésénForrás: D-Wave

Ezzel a kísérlettel a további felfedezések és alkalmazások valóságos kincsesládáját nyitottuk fel" 

- nyilatkozta Morello. – A rendszer, amelyet létrehoztunk, elegendően összetett ahhoz, hogy rajta keresztül tanulmányozhassuk, miként gyökerezik az általunk nap mint nap tapasztalt klasszikus világ a kvantumfizika birodalmában.

Forrás: Genevieve Martin, Oak Ridge National Laboratory

Sőt, ezt a kvantumkomplexitást kihasználhatjuk az eddigieknél nagyságrendekkel érzékenyebb elektromágneses térérzékelők építéséhez. S mindehhez nem kell más, mint egy egyszerű, szilícium-alapú elektronikus eszköz, amelyet egy fémelektródra adott parányi feszültségek vezérelnek!"

(Forrás: Nature)