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亚原子级洞察！科学家利用量子传感器实现了超高精度单个原子NQR信号检测
发布时间:
2025-01-09
据国外媒体消息，2024年1月6日，美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的科研人员在核四极共振（NQR）光谱技术领域取得重大突破。他们于《纳米快报》上发表论文，详细介绍了这一创新方法，能够以极高精度检测单个原子的NQR信号，实现了此前被认为不可能的成就。NQR技术以往常用于检测药物和爆炸物或分析药品，而基于量子传感器的新方法则能在原子层面深入洞察分子间的相互作用，有望为药物研发等领域带来颠覆性变革。
导语：2024年1月6日，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的科研人员在核四极共振（NQR）光谱技术领域取得重大突破。他们于《纳米快报》上发表论文，详细介绍了这一创新方法，能够以极高精度检测单个原子的NQR信号，实现了此前被认为不可能的成就。NQR技术以往常用于检测药物和爆炸物或分析药品，而基于量子传感器的新方法则能在原子层面深入洞察分子间的相互作用，有望为药物研发等领域带来颠覆性变革。
正文：自20世纪50年代以来，科学家们一直利用无线电波来发现未知材料的分子“指纹”，助力完成诸多任务，如借助核磁共振机器扫描人体内部结构，以及在机场安检中探测爆炸物等。然而，这些方法依赖于数万亿个原子的平均信号，因此无法检测到单个分子之间的微小差异。这种限制阻碍了在蛋白质研究等领域的应用，在该领域，形状控制功能的微小差异可以决定健康和疾病之间的差异。
亚原子洞察
如今，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（宾夕法尼亚工程学院）的工程师们借助量子传感器，实现了核四极共振（NQR）光谱学的突破性变化，这是一种传统上用于检测药物和爆炸物或分析药品的技术。《纳米快报》中描述的新方法非常精确，可以检测来自单个原子的NQR信号——这一壮举曾经被认为是无法实现的。这种前所未有的敏感性为药物开发等领域的突破打开了大门，在那里，了解原子水平的分子相互作用至关重要。
电气和系统工程副教授、宾夕法尼亚大学量子工程实验室（QEL）主任、该论文的高级作者Lee Bassett表示：“这项技术使我们能够分离出单个原子核，并揭示被认为是相同分子的微小差异。”“通过专注于单个原子核，我们可以发现以前被隐藏的分子结构和动力学的细节。这种能力使我们能够以全新的规模研究自然世界的基石。”
一个意想不到的发现
这一发现源于例行实验期间的意外观察。Alex Breitweiser是宾夕法尼亚大学文理学院物理学博士毕业生，也是该论文的联合第一作者，现在是IBM的研究员。当他注意到数据中的异常模式时，他正在研究钻石中的氮空位（NV）中心——原子尺度缺陷经常用于量子传感。周期性信号看起来像实验工件，但在广泛故障排除后仍然存在。回到20世纪50年代和60年代关于核磁共振的教科书，Breitweiser发现了一种物理机制，可以解释他们所看到的东西，但以前曾被认为在实验上微不足道。
技术的进步使该团队能够检测和测量曾经超出科学仪器范围的影响。Breitweiser说：“我们意识到我们不只是看到了一个异常现象。”“我们正在闯入一种新的物理制度，我们可以通过这项技术获得。”
前所未有的精度
通过与荷兰代尔夫特理工大学的研究人员合作，进一步了解了对影响的理解，作为国际奖学金的一部分，Breitweiser在那里花时间对相关主题进行研究。结合实验物理学、量子传感和理论建模方面的专业知识，该团队创造了一种能够以非凡的精度捕获单原子信号的方法。
应届ESE博士毕业生、该论文的另一位共同第一作者Mathieu Ouellet解释说：“这有点像在一个巨大的电子表格中隔离一行。”“传统的NQR会产生类似平均值的东西——你了解了整个数据，但对单个数据点一无所知。通过这种方法，就好像我们已经发现了平均值背后的所有数据，将信号与一个原子核隔离开来，并揭示了其独特的特性。”
解读信号
确定意外实验结果的理论基础需要付出相当大的努力。Ouellet不得不仔细测试各种假设，运行模拟并进行计算，以将数据与潜在原因相匹配。他解释道：“这有点像根据症状诊断病人。”“数据指向了一些不寻常的东西，但通常有多种可能的解释。花了很长时间才做出正确的诊断。”
展望未来，研究人员看到了他们的方法在应对紧迫的科学挑战方面的巨大潜力。通过表征以前隐藏的现象，新方法可以帮助科学家更好地了解塑造我们世界的分子机制。
这项研究在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院进行，并得到国家科学基金会（ECCS-1842655，DMR-2019444）的支持。加拿大自然科学和工程研究委员会通过博士学位提供了额外的支持。通过博士学位授予Ouellet和IBM的奖学金。授予Breitweiser的奖学金。
其他合著者包括Tzu-Yung Huang，前宾夕法尼亚工程部的ESE博士生，现为诺基亚贝尔实验室的博士生，以及Tim H. Taminiau在代尔夫特理工大学。
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