跳动城乡网德国于利希研究中心和韩国 IBS 量子纳米科学中心 (QNS) 组成的国际研究团队开发出一种量子传感器，能够探测原子长度尺度的微小磁场。这项开创性的工作实现了科学家长期以来的梦想：一种类似 MRI 的量子材料工具。
该研究团队利用于利希团队自下而上的单分子制造专业知识，在 QNS 进行实验时，利用韩国团队的尖端仪器和方法知识，开发出世界上第一个用于原子世界的量子传感器。
该研究成果发表在《自然纳米技术》杂志上。
原子的直径比人类最粗的头发还要小一百万倍。这使得可视化和精确测量原子产生的电场和磁场等物理量变得极具挑战性。为了探测单个原子产生的如此微弱的磁场，观测工具必须具有高灵敏度，并且尺寸必须与原子本身一样小。
量子传感器是一种利用电子自旋或量子态纠缠等量子力学现象进行精确测量的技术。过去几年，人们开发了几种类型的量子传感器。虽然许多量子传感器能够感应电场和磁场，但人们认为无法同时掌握原子级空间分辨率。
用于原子级电场和磁场的量子传感器。图片来源：于利希研究中心 / Mariia Krylova
提高分辨率的新方法
新型原子级量子传感器的成功之处在于它只使用了一个分子。这是一种概念上不同的传感方式，因为大多数其他传感器的功能都依赖于晶格的缺陷(一种不完美)。由于此类缺陷只有深深嵌入材料中才会发挥其特性，因此这种能够感知电场和磁场的缺陷将始终与物体保持相当大的距离，从而阻止它以单个原子的尺度看到实际物体。
研究团队改变了方法，开发了一种利用单个分子来感知原子电磁特性的工具。该分子附着在扫描隧道显微镜的尖端，可以将其带到距离实际物体几个原子距离的范围内。
Jülich 团队的首席作者 Taner Esat 博士对这种潜在应用感到兴奋，他表示：“这种量子传感器将改变游戏规则，因为它可以提供与 MRI 一样丰富的材料图像，同时为量子传感器的空间分辨率设定了新标准。这将使我们能够从最基本的层面探索和理解材料。”
长期合作的关键在于 Esat 博士——之前是 QNS 的博士后——他回到了于利希，在那里他构思了这种传感分子。他选择回到 QNS 进行研究，以便利用该中心的尖端仪器证明这项技术。
该传感器的能量分辨率可以检测磁场和电场的变化，空间分辨率约为十分之一埃，其中1埃通常对应于一个原子直径。此外，量子传感器可以在全球现有的实验室中构建和实施。
“这一成就之所以如此引人注目，是因为我们利用精心设计的量子物体自下而上地解析了原子的基本属性。之前用于可视化材料的技术使用大而笨重的探来尝试分析微小的原子特征，”QNS 的主要作者 Dimitry Borodin 博士说。“要想看到微小的东西，就必须从小处着眼。”
这种突破性的量子传感器有望为工程量子材料和器件、设计新催化剂以及探索分子系统(如生物化学)的基本量子行为开辟变革途径。
正如 QNS 项目的 PI Yujeong Bae 所说，“观察和研究物质的工具革命源于基础科学的积累。正如理查德·费曼所说，&luo;底部有足够的空间&ruo;，在原子层面上操纵的技术潜力是无限的。”
于利希研究小组负责人特米罗夫教授补充道：“我们长期在分子操控方面的研究终于制造出创纪录的量子装置，这令人兴奋不已。”
该原子级量子传感器的开发是量子技术领域的一个重要里程碑，预计将对各个科学学科产生深远影响。
