自20世纪50年代以来，科学家们一直在使用无线电波来发现未知材料的分子“指纹”，帮助完成各种任务，如用MRI机器扫描人体和在机场检测爆炸物。
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变化。这些限制阻碍了蛋白质研究等领域的应用，在这些领域，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
近日，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（Penn Engineering）的工程师利用量子传感器实现了核四极共振（NQR）光谱的突破性变化，这是一种传统上用于检测药物和爆炸物或分析药物的技术。
相关研究成果在《Nano Letters》期刊发表，这种新方法非常精确，可以检测到单个原子的NQR信号——这一壮举曾经被认为是不可能实现的。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，在这些领域，理解原子水平的分子相互作用至关重要。
“这项技术使我们能够分离单个核，并揭示被认为是相同分子的微小差异，”宾夕法尼亚大学量子工程实验室（QEL）主任、电气与系统工程（ESE）副教授、该论文的资深作者Lee Bassett表示。“通过专注于单个核，我们可以揭示以前隐藏的分子结构和动力学的细节。这种能力使我们能够在一个全新的尺度上研究自然界的组成部分。”
意外发现
这一发现源于常规实验中的一次意外观察。Alex Breitweiser是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理学博士研究生，也是该论文的共同第一作者，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——量子传感中经常使用的原子级缺陷。
周期性信号看起来像是一个实验性的伪影，但在经过大量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中，Breitweiser发现了一种物理机制，可以解释他们所看到的东西，但这之前被认为在实验上无关紧要。
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。Brietweiser说：“我们意识到我们不仅仅看到了异常。”。“我们正在打破一种新的物理学体系，我们可以通过这项技术进入。”
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，对这种影响的理解得到了进一步的发展，Breitweiser曾在该大学作为国际奖学金的一部分，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极高的精度捕获单原子信号的方法。
“这有点像在一个巨大的电子表格中隔离一行，”ESE博士毕业生、该论文的另一位共同第一作者Mathieu Ouellet解释道。“传统的NQR产生类似于平均值的东西——你可以从整体上了解数据，但对单个数据点一无所知。通过这种方法，就好像我们发现了平均值背后的所有数据，将信号从一个核中分离出来，并揭示了它的独特属性。”
解读信号
确定意外实验结果的理论基础需要付出巨大的努力。Ouellet必须仔细测试各种假设，运行模拟并执行计算，以将数据与潜在原因相匹配。“这有点像根据症状诊断病人，”他解释道。“数据表明有些异常，但通常有多种可能的解释。花了很长时间才得出正确的诊断。”
展望未来，研究人员看到了他们的方法在解决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理解塑造我们世界的分子机制。
本研究在宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院进行，并得到了国家科学基金会（ECCS-1842655，DMR-2019444）的支持。额外的支持来自加拿大自然科学与工程研究委员会，通过授予Ouellet的博士奖学金，以及IBM，通过授予Breitweiser的博士奖学金。
其他合著者包括黄子勇，他曾是宾夕法尼亚大学工程学院ESE的博士生，现供职于诺基亚贝尔实验室，以及代尔夫特理工大学的Tim H.Taminiau。
