近日，在一项科学突破中，来自德国于利希研究中心（Forschungszentrum Jülich）和韩国基础科学研究所（IBS）量子纳米科学中心（QNS）的一个国际研究小组开发了一种能够检测原子长度尺度微小磁场的量子传感器。这项开创性的工作实现了科学家们长期以来的梦想：一种类似核磁共振成像(MRI)的量子材料工具。
研究团队在QNS进行实验时利用了Jülich小组的自下而上单分子制造的专业知识，利用韩国团队的尖端仪器和方法知识，为原子世界开发了世界上第一个量子传感器。
一个原子的直径比最厚的人类头发小一百万倍。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。为了从单个原子中感知这种弱场，观测工具必须高度灵敏，并且与原子本身一样小。
量子传感器是一种利用量子力学现象（如电子的自旋或量子态的纠缠）进行精确测量的技术。在过去几年中，已经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测电场和磁场，但人们认为不能同时掌握原子尺度的空间分辨率。
提高分辨率的新方法
新型原子尺度量子传感器的成功在于使用了一个分子。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。由于这些缺陷只有在深深嵌入材料中时才能发挥其特性，因此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，使其无法在单个原子的尺度上看到实际物体。
研究小组改变了方法，开发了一种使用单个分子来感测原子的电学和磁学性质的工具。分子附着在扫描隧道显微镜的尖端，可以带到实际物体的几个原子距离内。
突破性潜力
正如QNS负责该项目的PI Yujeong Bae所指出的那样，“观察和研究物质的工具革命源于积累的基础科学。正如Richard Feynman所说，‘底层空间很大’，在原子水平操纵技术的潜力是无限的。”Jülich的研究小组负责人Temirov教授补充道：“看到我们在分子操纵方面的长期工作如何导致了一个创纪录的量子器件的构建，这令人兴奋。”
研究结果发表在《Nature Nanotechnology》期刊上。这种原子尺度量子传感器的开发标志着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。
