Najnowocześniejszy czujnik kwantowy odkrywa ukryty świat atomowy

Nowy czujnik kwantowy opracowany przez naukowców z Korei i Niemiec może z dużą precyzją mierzyć pola magnetyczne w skali atomowej. Technologia ta wykorzystuje do wykrywania pojedynczą cząsteczkę, co zapewnia doskonałą rozdzielczość i potencjał znaczących postępów w analizie materiałów kwantowych i układów molekularnych.

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

Wyzwania w pomiarach w skali atomowej

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.

Innowacje w technologii wykrywania kwantowego

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.

Dr Taner Esat, główny autor zespołu w Jülich, wyraził swoje podekscytowanie potencjalnymi zastosowaniami, stwierdzając: „Ten czujnik kwantowy zmienia reguły 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 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.

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

Implikacje i perspektywy na przyszłość

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”.

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 w Nanotechnologia natury 25 lipca. 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: „Kwantowy czujnik pól elektrycznych i magnetycznych w skali atomowej” autorstwa: Taner Esat, Dmitriy Borodin, Jeongmin Oh, Andreas J. Heinrich, F. Stefan Tautz, Yujeong Bae i Ruslan Temirov, 25 lipca 2024 r., Nanotechnologia natury.
DOI: 10.1038/s41565-024-01724-z