探測(cè)物質(zhì)最小組成的能力長(zhǎng)期以來一直令科學(xué)家們著迷，推動(dòng)著醫(yī)學(xué)、安全和材料科學(xué)的進(jìn)步。核四極共振（NQR）光譜法是一種基于原子核量子力學(xué)性質(zhì)的射頻光譜技術(shù)，通過探測(cè)核四極矩與局部電場(chǎng)梯度之間的相互作用來揭示分子結(jié)構(gòu)。
這些技術(shù)盡管非常有用，但由于它們依賴于宏觀原子核集合，因此在本質(zhì)上存在局限。這種局限性在蛋白質(zhì)研究或藥物開發(fā)等領(lǐng)域會(huì)掩蓋至關(guān)重要的分子間差異。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，美國賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院最近取得的突破克服了這些局限。研究人員利用量子傳感器改進(jìn)了NQR光譜法，以探測(cè)單個(gè)原子核的信號(hào)，這在以前被認(rèn)為是不可能實(shí)現(xiàn)的。這一進(jìn)步為分子科學(xué)的變革性發(fā)現(xiàn)打開了大門。
傳統(tǒng)的NQR光譜法利用無線電波來識(shí)別分子“指紋”，使其成為檢測(cè)爆炸物、分析藥物以及測(cè)溫研究的重要手段。然而，這些方法會(huì)將數(shù)萬億個(gè)原子的信號(hào)平均化，從而忽略了細(xì)微但重要的分子差異。例如，在蛋白質(zhì)研究中，微小的結(jié)構(gòu)變化決定了蛋白質(zhì)的功能，能夠區(qū)分健康與疾病。
1?NV色心的電子-核相互作用
基于金剛石缺陷（氮-空位（NV）色心）的量子傳感器，現(xiàn)在提供了一種解決方案。NV色心是金剛石晶格中的原子級(jí)缺陷，可以探測(cè)單個(gè)核自旋。這些色心的電子自旋態(tài)可在室溫下利用激光和微波信號(hào)對(duì)其進(jìn)行操控。研究人員利用動(dòng)態(tài)去耦合（DD）等先進(jìn)的控制序列放大了超精細(xì)耦合，實(shí)現(xiàn)了前所未有的靈敏度和精確度。
這項(xiàng)研究成果已經(jīng)發(fā)表于Nano Letters期刊。賓夕法尼亞大學(xué)量子工程實(shí)驗(yàn)室主任、該研究通訊作者Lee Bassett解釋說：“這項(xiàng)技術(shù)使我們能夠分離出單個(gè)原子核，并揭示被認(rèn)為是相同分子的微小差異。通過聚焦單個(gè)原子核，我們可以發(fā)現(xiàn)過去被掩蓋的分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)。”
這一突破是在涉及金剛石NV色心的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的。Alex Breitweiser當(dāng)時(shí)是賓夕法尼亞大學(xué)的一名博士生，也是這項(xiàng)研究論文的共同第一作者，他在常規(guī)實(shí)驗(yàn)中觀察到了意想不到的周期性信號(hào)。起初，這些信號(hào)被認(rèn)為是人為痕跡，但經(jīng)過嚴(yán)格的故障排除后，它們依然存在。回顧幾十年前的核磁共振教科書，Breitweiser發(fā)現(xiàn)了一個(gè)過去被忽視的物理機(jī)制。
“量子傳感技術(shù)的進(jìn)步使我們能夠探測(cè)到曾經(jīng)被認(rèn)為微不足道的效應(yīng)。我們意識(shí)到這不僅僅是一個(gè)異常現(xiàn)象。”Breitweiser回憶稱，“我們正在利用這項(xiàng)技術(shù)突破一個(gè)新的物理學(xué)體系。”
與代爾夫特理工大學(xué)的進(jìn)一步合作完善了這項(xiàng)技術(shù)。通過整合實(shí)驗(yàn)物理、量子傳感和理論建模，該團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了一種能夠超精準(zhǔn)捕捉單原子信號(hào)的工具。另一位共同第一作者M(jìn)athieu Ouellet解釋說：“這有點(diǎn)像在一張巨大的電子表格中分離出一行。傳統(tǒng)的NQR光譜法提供的是平均值，但我們從單個(gè)原子核中分離出了獨(dú)特的數(shù)據(jù)點(diǎn)。”
這一發(fā)現(xiàn)的核心在于NV色心與其固有的氮-14核的相互作用。NV色心的電子自旋會(huì)與附近的氮-14和碳-13等其它同位素核自旋相互作用。
研究人員利用這些相互作用繪制了核四極矩哈密頓量，一種描述具有四極矩的原子核在電場(chǎng)梯度中相互作用的量子力學(xué)模型。他們觀察到NV色心之間的核四極和超精細(xì)參數(shù)發(fā)生了顯著變化，還觀察到了以前未曾報(bào)道過的對(duì)稱性破缺四極項(xiàng)。
禁止躍遷
實(shí)驗(yàn)還揭示了核哈密頓參數(shù)與電子零場(chǎng)分裂（ZFS）參數(shù)之間的相關(guān)性，從而揭示了電場(chǎng)或應(yīng)變場(chǎng)引起的局部化學(xué)結(jié)構(gòu)和變形。這些發(fā)現(xiàn)凸顯了量子增強(qiáng)NQR光譜法在探索過去隱藏的分子行為方面的潛力。
為了破解這些發(fā)現(xiàn)，Ouellet進(jìn)行了大量的模擬和假設(shè)測(cè)試。他指出：“數(shù)據(jù)指向了一些不尋常的東西，存在多種可能的解釋。我們花了很大努力才得出正確的診斷結(jié)果。能夠如此精確地測(cè)量這些參數(shù)，也為了解應(yīng)變和電場(chǎng)對(duì)分子結(jié)構(gòu)的影響開辟了新途徑。
研究人員設(shè)想，未來這些量子傳感技術(shù)可以應(yīng)用于研究蛋白質(zhì)折疊的力學(xué)原理或藥物與其分子靶標(biāo)之間的相互作用。這些研究對(duì)于開發(fā)下一代藥物以及從分子水平了解疾病至關(guān)重要。
這項(xiàng)研究的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了分子表征。通過精確控制和測(cè)量單個(gè)原子核，量子增強(qiáng)NQR光譜法有望徹底變革藥物開發(fā)、蛋白質(zhì)分析和材料科學(xué)。
初始化和相干演化
研究團(tuán)隊(duì)在室溫下分離和操縱核狀態(tài)的能力也暗示了量子計(jì)算和傳感技術(shù)的更廣泛應(yīng)用。正如Bassett所說：“我們正在一個(gè)全新的尺度上研究自然界的基本構(gòu)件。”
該方法對(duì)局部化學(xué)環(huán)境的敏感性，還能推動(dòng)高壓或高溫等極端條件下的材料研究。這些洞察對(duì)于設(shè)計(jì)具有特殊性能的材料（例如超導(dǎo)體或用于可再生能源應(yīng)用的先進(jìn)催化劑）非常寶貴。
這項(xiàng)研究不僅展示了量子傳感器的潛力，還凸顯了現(xiàn)代科學(xué)的協(xié)作本質(zhì)。包括代爾夫特理工大學(xué)在內(nèi)的各機(jī)構(gòu)之間的合作，對(duì)推動(dòng)研究的發(fā)展起到了重要作用。通過將理論專業(yè)知識(shí)與實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新相結(jié)合，該團(tuán)隊(duì)為分子分析的新時(shí)代奠定了基礎(chǔ)。
通過表征過去不為人知的現(xiàn)象，這一創(chuàng)新為了解支配生命和物質(zhì)的分子機(jī)制提供了強(qiáng)大的新視角。這項(xiàng)成果體現(xiàn)了量子技術(shù)如何推動(dòng)突破科學(xué)探索的界限，使未來的理解精度和深度不再受觀測(cè)尺度的限制。
