MRI cząsteczek odkrywa tajemnice świata atomowego

Nowatorski czujnik kwantowy o wyjątkowej rozdzielczości zmienia analizę materiałów na poziomie atomowym, torując drogę postępowi w technologiach i nauce kwantowej.

Dokonując przełomu naukowego, międzynarodowy zespół badawczy z niemieckiego Forschungszentrum Jülich i koreańskiego Centrum Nanonauki Kwantowej IBS (QNS) opracował czujnik kwantowy zdolny do wykrywania maleńkich pól magnetycznych w skali długości atomowej. To pionierskie dzieło realizuje od dawna marzenie naukowców: narzędzie przypominające MRI do materiałów kwantowych.

Rozwój czujników kwantowych

Zespół badawczy wykorzystał wiedzę specjalistyczną grupy Jülich w zakresie oddolnego wytwarzania pojedynczych cząsteczek podczas przeprowadzania eksperymentów w QNS, wykorzystując najnowocześniejsze instrumentarium i wiedzę metodologiczną koreańskiego zespołu, aby opracować pierwszy na świecie czujnik kwantowy dla świata atomowego.

Średnica atom jest milion razy mniejszy niż najgrubszy ludzki włos. To sprawia, że ​​wizualizacja i precyzyjny pomiar wielkości fizycznych, takich jak pola elektryczne i magnetyczne powstające przez atomy, jest niezwykle trudny. Aby wyczuć tak słabe pola z pojedynczego atomu, narzędzie obserwacyjne musi być bardzo czułe i tak małe jak same atomy.

Czujnik kwantowy to technologia wykorzystująca do precyzyjnych pomiarów zjawiska mechaniki kwantowej, takie jak spin elektronu czy splątanie stanów kwantowych. W ciągu ostatnich lat opracowano kilka typów czujników kwantowych. Chociaż wiele czujników kwantowych jest w stanie wykrywać pola elektryczne i magnetyczne, uważano, że rozdzielczości przestrzennej w skali atomowej nie da się osiągnąć jednocześnie.

Zespół badawczy osiągnął bezprecedensowy poziom czułości i rozdzielczości przestrzennej, przyłączając cząsteczkę PTCDA do końcówki STM i mierząc ESR. Źródło: Instytut Nauk Podstawowych

Przełom w technologii wykrywania

Sukces nowego czujnika kwantowego w skali atomowej polega na wykorzystaniu jednej cząsteczki. Jest to koncepcyjnie odmienny sposób wykrywania, ponieważ działanie większości innych czujników opiera się na defektu – niedoskonałości – sieci krystalicznej. Ponieważ defekty takie rozwijają swoje właściwości dopiero wtedy, gdy wnikają głęboko w materiał, defekt – zdolny do wyczuwania pól elektrycznych i magnetycznych, zawsze będzie pozostawał w dość dużej odległości od obiektu, uniemożliwiając mu dostrzeżenie rzeczywistego obiektu w skali pojedynczych atomy.

Zespół badawczy zmienił podejście i opracował narzędzie wykorzystujące pojedynczą cząsteczkę do wykrywania właściwości elektrycznych i magnetycznych atomów. Cząsteczka jest przyczepiona do końcówki skaningowego mikroskopu tunelowego i może zostać zbliżona na kilka odległości atomowych od rzeczywistego obiektu.

Wysoka precyzja i potencjalne zastosowania

Dr Taner Esat, główny autor zespołu w Jülich, wyraził swoje podekscytowanie potencjalnymi zastosowaniami, stwierdzając: „Ten czujnik kwantowy zmienia zasady gry, ponieważ zapewnia obrazy materiałów tak bogatych jak MRI, a jednocześnie wyznacza nowe standard rozdzielczości przestrzennej w czujnikach kwantowych. Pozwoli nam to zbadać i zrozumieć materiały na ich najbardziej podstawowym poziomie. Długoterminowa współpraca opierała się na doktorze Esacie, wcześniej stażyście podoktorskim w QNS, który wrócił do Jülich, gdzie wymyślił tę cząsteczkę czujnikową. Zdecydował się wrócić do QNS na pobyt badawczy, aby przetestować tę technikę przy użyciu najnowocześniejszych instrumentów ośrodka.

Czujnik charakteryzuje się rozdzielczością energetyczną umożliwiającą wykrywanie zmian w polach magnetycznych i elektrycznych z rozdzielczością przestrzenną rzędu jednej dziesiątej angstremów, gdzie 1 Ångström zazwyczaj odpowiada jednej średnicy atomu. Co więcej, czujnik kwantowy można skonstruować i wdrożyć w istniejących laboratoriach na całym świecie.

Rewolucyjne możliwości wykrywania

Czujnik charakteryzuje się rozdzielczością energetyczną umożliwiającą wykrywanie zmian w polach magnetycznych i elektrycznych z rozdzielczością przestrzenną rzędu jednej dziesiątej angstremów, gdzie 1 Ångström zazwyczaj odpowiada jednej średnicy atomu. Co więcej, czujnik kwantowy można skonstruować i wdrożyć w istniejących laboratoriach na całym świecie.

„To osiągnięcie jest tak uderzające, ponieważ wykorzystujemy znakomicie zaprojektowany obiekt kwantowy do oddolnego rozwiązywania podstawowych właściwości atomowych. Poprzednie techniki wizualizacji materiałów wykorzystują duże, nieporęczne sondy do analizy drobnych cech atomowych” – podkreśla główny autor QNS, dr Dimitry Borodin. „Trzeba być małym, żeby widzieć małego”.

Transformacyjny wpływ na materiały kwantowe

Ten przełomowy czujnik kwantowy może otworzyć możliwości transformacji w zakresie inżynierii materiałów i urządzeń kwantowych, projektowania nowych katalizatorów i badania podstawowych zachowań kwantowych układów molekularnych, na przykład w biochemii.

Jak zauważył Yujeong Bae, kierownik projektu w QNS: „Rewolucja w narzędziach do obserwacji i badania materii wyłania się z nagromadzonej wiedzy podstawowej. Jak powiedział Richard Feynman: „Na dnie jest mnóstwo miejsca”, potencjał technologii do manipulacji na poziomie atomowym jest nieskończony”. Profesor Temirov, kierownik grupy badawczej w Jülich, dodaje: „To ekscytujące widzieć, jak nasza wieloletnia praca nad manipulacją molekularną zaowocowała skonstruowaniem rekordowego urządzenia kwantowego”.

Wyniki badań opublikowano dzisiaj (25 lipca) w Nanotechnologia natury. Opracowanie tego czujnika kwantowego w skali atomowej stanowi kamień milowy w dziedzinie technologii kwantowej i oczekuje się, że będzie miał dalekosiężne implikacje w różnych dyscyplinach naukowych.

Odniesienie: „A Quantum Sensor for Electric and Magnetic Fields” autorstwa Tanera Esata, Dmitriya Borodina, Jeongmina Oh, Andreasa J. Heinricha, F. Stefana Tautza, Yujeong Bae i Ruslana Temirowa, 25 lipca 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01724-z