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改善高端量子设备的秘诀，竟然是放两颗葡萄

图片来源：Fawaz, Nair, Volz

将一颗葡萄切成两半，保留一点皮连接着，放入微波炉加热，就可以看到超酷（超危险）的火花和等离子体。如此简单的实验，让葡萄多年来稳居科普视频中水果顶流的宝座。（简单不代表不危险，请不要在家尝试！）

人们早在1994年就发现了这一现象。此前最常见的解释是，由于葡萄的体积很小，且含水量极高，微波炉发射的微波会高度集中在葡萄内部，形成极强的电场，导致一些分子电离，产生带电离子。这些离子与葡萄内原有的离子一起，通过两半葡萄之间的表皮“桥”从一半流向另一半，形成了电流。随着电流增强，葡萄接触点会出现电火花，最终电离空气，产生热等离子体。

视频来源：H.K. Khattak, P. Bianucci, A.D. Slepkov, Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

然而，2019年发表于《美国科学院院刊》（）的一项研究表明，这种解释并不完全正确。事实上，微波葡萄产生等离子体并不需要那一点表皮，也不需要将葡萄切半，两颗葡萄挨着放一起足矣。

葡萄的尺寸和介电特性让它天然成为了捕获微波形成“热点”的利器，当两颗葡萄放在一起后，电磁“热点”会从单颗葡萄的中心转移至二者的接触点，强度也会增加。强电场会电离葡萄表皮中富含的钠和钾，产生的离子本身会与微波电场共振，能有效地积聚微波能量。当高能的离子与自由电子和空气中的分子发生碰撞，会触发级联的碰撞电离，产生一团等离子体——然后报废一台微波炉。

图片来源：H.K. Khattak, P. Bianucci, A.D. Slepkov, Linking plasma formation in grapes to microwave resonances of aqueous dimers, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.

这项研究不仅可以用来破坏微波炉，更重要的是，它揭示了葡萄双球结构可以像微波谐振器——当输入的微波频率与设备的谐振频率匹配（即发生共振），该设备可通过驻波效应实现放大信号、滤波等功能——一样发挥作用。澳大利亚麦考瑞大学（Macquarie University）的研究生阿里·法瓦兹（Ali Fawaz）也刷到过疯狂传播的葡萄等离子体视频。法瓦兹注意到，此前这项研究的重点在于引发等离子体的电场，他忍不住进一步思考，葡萄对显然也能增强磁场，是否可以用它做某种“放大器”？

葡萄提升钻石性能？

法瓦兹和同事们想到，或许可以用葡萄来提升“钻石”的性能。这项研究于2024年12月发表在了上。实验中，他们将纳米金刚石放置在纤薄的玻璃纤维上，然后将它放置在两颗葡萄之间。先不说这种实验设置看起来非常莫名其妙，首先要问一下：钻石能有什么性能可言？

事实上，实验中用到的并不是我们常见的璀璨钻石，而是一种经过超精密加工的系统。研究者需要将金刚石晶格中的一些碳原子替换为氮原子，而后“敲除”氮相邻位置的碳，形成一个空位，这样相邻的氮和空位就形成了所谓的“氮-空位”缺陷，即NV色心。这种微小的缺陷结构具有独特的电子结构和光学特性，其电子自旋态对磁场、电场、温度、压力等参数高度敏感。并且，该系统无需麻烦的低温冷却装置，在室温下就能运行，因此一直被视为极具潜力的量子传感器。

外界待测的物理量（如磁场）会改变NV色心电子自旋态的能级劈裂，此时对其施加特定频率的微波，会使自旋态发生共振跃迁。通过共振频率可以计算出能级劈裂的大小，进而推算出待测的物理量。由于外界待测的物理量通常非常微弱（不然也不会动用量子传感器），往往需要借助微波谐振腔放大微波场，提升传感器的灵敏度和信号分辨率。

图片来源：Fawaz, Nair, Volz

为捕获特定频率的微波，实验中用到的葡萄的大小和形状至关重要，比如其长度必须是27毫米。于是，法瓦兹和同事从超市买来很多葡萄，精心选了两颗，然后将金刚石放在它们中间的磁场“热点\\”处。通过光学检测磁共振（ODMR）技术，即用绿激光激发NV色心并记录其荧光信号，研究人员得以测量NV色心周围的磁场强度。结果显示，有葡萄的磁场强度是没有葡萄的两倍。

蓝宝石新平替：葡萄

尽管这种性能提升幅度与传统微波谐振器相比，逊色了许多，但研究人员表示，这种尝试为探索替代量子技术微波谐振器的设计开辟了一条新途径，很有可能带来更紧凑、高效且成本较低的量子传感设备。

事实上，NV色心量子传感器用到的传统高性能微波谐振器，通常会使用蓝宝石作为介电材料。因为这种宝石具有非常好的稳定性和介电特性，比如高介电常数、低温下极低的介电损耗，这使其作为介质嵌入谐振器时，可以大幅提升频率稳定性和品质因数等。

图片来源：unsplash

但与优势相对的是，基于蓝宝石的微波谐振器通常都非常贵，并且体积庞大。而与蓝宝石相比，微波在水中的折射率较高，这意味着基于水构建的微波谐振器尺寸会小很多。而葡萄本质上就是一个小水球，简直是测试这种理论的理想材料。

研究结果显示，水的确比蓝宝石更能集中微波的能量，但它不太稳定，且会在过程中损失很多能量。未来，研究人员希望继续探索具有高介电常数、低介电损耗的复合材料，希望能将其融入水中，最终提升水基谐振器的性能，从而解决构建紧凑高效谐振器的关键难题。

论文链接：

https://journals.aps.org/prapplied/abstract/10.1103/PhysRevApplied.22.064078

https://www.pnas.org/doi/full/10.1073/pnas.1818350116

参考链接

https://www.eurekalert.org/news-releases/049

https://arstechnica.com/science/2024/12/could-microwaved-grapes-be-used-for-quantum-sensing/

https://www.science.org/content/article/why-sparks-fly-when-you-microwave-grapes

来源：环球科学

编辑：Chocobo

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合作院校 | 澳大利亚最富进取精神的大学之一麦考瑞大学

学校简介

　　麦考瑞大学（Macquarie University）建于1964年，是位于澳大利亚新南威尔士州悉尼市的一所公立研究型大学。

　　麦考瑞大学是澳大利亚最富进取精神的大学之一，以一流的教学与创新精神著称，它也是全澳第一所开设精算课程的大学。我院每年都有多名学生转学至该校，学生学分转移情况良好，对学校有良好的反馈和很高的评价。

地理位置

　　学校位于悉尼市中心西北部，离市中心20公里，约25分钟的路程。

　　主校区距离悉尼CBD仅15公里，也是悉尼拥有专属地铁站的大学。

　　麦考瑞大学毗邻麦考瑞创新产业园区，并与其保持着密切的合作关系。

　　产业园区汇集商业、电子、科研、IT、医药、电信业领先企业，350余家全球知名百强企业都把澳洲总部设立在这里，包括微软、甲骨文、3M、富士通、IBM、佳能、福特、强生等，促进学生的就业率。

麦卡瑞商学院

　　麦考瑞商学院已获得 AACSB认证，以金融，精算，会计为代表的商科均位列全球QS专业100强，其中会计专业位列全澳第一，MBA课程名列亚太排名13,精算专业列入全球15强。

校园设施

　　麦考瑞大学致力于为师生提供现代化的学习环境。校园有126公顷绿地、世界一流教学设施、前沿实验室和模拟中心、健身中心、校医院、博物馆、图书馆、学生活动中心等。

学生服务

　　新生免费接机 是麦考瑞大学为所有国际留学新生提供免费接机服务；

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　　医院和MQ Health为学生提供一系列校内健康服务，时刻关注学生的身体健康和心理健康；

　　此外，学生可以通过My Legal获得免费的法律援助资讯。

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