Как неудачный эксперимент доказал теорию полувековой давности
Группа инженеров из Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) собиралась выяснить, где проходит граница между классическим и квантовым миром. Для этого они исследовали хаотическое поведение ядерного спина. «Мы не планировали применять куда-то результаты нашего исследования, — вспоминает доктор Серван Асаад, один из ведущих авторов работы, — Проект основывался исключительно на любопытстве!»
Все было готово для выполнения ядерного магнитного резонанса на атоме сурьмы — элементе с большим ядерным спином. Атом подвергался воздействию высокочастотного магнитного поля. Для генерации поля применяли специальную антенну. Эксперимент требовал, чтобы магнитное было интенсивным, и когда инженеры приложили слишком много энергии, антенна взорвалась.
К удивлению инженеров, ядро атома сурьмы продолжало отвечать на какое-то воздействие. Это происходило лишь на определенных частотах. «Мы были озадачены некоторое время. А потом нас осенило! — делится другой автор исследования доктор Винсент Мурик, — Вместо магнитного резонанса мы прямо сейчас выполняем электрический!»
Ядерный электрический резонанс впервые теоретически предсказал нобелевский лауреат Николас Блумберг в 1961 году. «20 лет я работал над ядерным резонансом и никогда прежде не слышал об идее Блумберга, — говорит Андреа Морелло, еще один участник работы, — Получается, мы "заново" и совершенно случайно открыли этот эффект!»
После взрыва и повреждения антенна начала генерировать сильное электрическое поле вместо магнитного. Чтобы понять, как именно электрическое поле вращает атомное ядро, исследователи провели компьютерное моделирование «неудачного» эксперимента. Выяснилось, что электрическое поле искажает атомные связи вокруг ядра — это и заставляет ядро переориентироваться в пространстве.
Авторы исследования уверены: открытие перевернет парадигму ядерного магнитного резонанса, который применяется в исследовательских целях в медицине, горной и химической промышленности. Использование магнитного резонанса в других областях ограничено необходимостью работать с магнитными полями. Их генерация требует катушек больших размеров, а также сильных электрических токов. В то же время, нет способа сосредоточить магнитное поле в маленьком пространстве. Электрическое поле можно создать, используя крошечный электрод, а его действие распространяется на меньшие, по сравнению с магнитным полем, расстояния.
Открытие ядерного электрического резонанса ускорит создание квантовых компьютеров, а также точных датчиков электромагнитных полей, которые необходимы физикам-теоретикам для ответа на фундаментальные вопросы науки.