自 20 世紀(jì) 50 年代以來，科學(xué)家們一直利用無線電波來揭示未知材料的分子 “指紋”，幫助完成各種任務(wù)，如用核磁共振成像儀掃描人體和在機(jī)場(chǎng)檢測(cè)爆炸物。

然而，這些方法依賴的是數(shù)萬億原子發(fā)出的平均信號(hào)，因此無法檢測(cè)到單個(gè)分子之間的微小變化。這種局限性阻礙了蛋白質(zhì)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)樵谶@些領(lǐng)域中，形狀上的微小差異控制著功能，并能決定健康與疾病的區(qū)別。

亞原子的深刻見解

現(xiàn)在，賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（Penn Engineering）的工程師們利用量子傳感器實(shí)現(xiàn)了核四極共振（NQR）光譜學(xué)的突破性變化，這種技術(shù)傳統(tǒng)上用于檢測(cè)毒品和爆炸物或分析藥物。

這種新方法在《Nano Letters》上進(jìn)行了描述，它非常精確，可以檢測(cè)到單個(gè)原子的 NQR 信號(hào)（這曾被認(rèn)為是無法實(shí)現(xiàn)的壯舉）。這種前所未有的靈敏度為藥物開發(fā)等領(lǐng)域的突破打開了大門，在這些領(lǐng)域，了解原子水平的分子相互作用至關(guān)重要。

賓夕法尼亞大學(xué)電子與系統(tǒng)工程（ESE）副教授、賓夕法尼亞大學(xué)量子工程實(shí)驗(yàn)室（QEL）主任、論文的資深作者 Lee Bassett 說：“這項(xiàng)技術(shù)使我們能夠分離單個(gè)原子核，揭示被認(rèn)為是相同分子中的微小差異。通過聚焦單個(gè)原子核，我們可以發(fā)現(xiàn)以前被掩蓋的分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)細(xì)節(jié)。這種能力使我們能夠在全新的尺度上研究自然界的構(gòu)成要素。”

用新論文中描述的核四極共振形式檢測(cè)到的微小核差異的藝術(shù)表現(xiàn)。(圖片來源：Mathieu Ouellet）。

意外發(fā)現(xiàn)

這一發(fā)現(xiàn)源于常規(guī)實(shí)驗(yàn)中的一次意外觀察。Alex Breitweise 是賓夕法尼亞大學(xué)藝術(shù)與科學(xué)學(xué)院物理學(xué)專業(yè)的應(yīng)屆博士畢業(yè)生，也是這篇論文的共同第一作者，現(xiàn)在是 IBM 公司的一名研究員，他在研究金剛石中的氮空位（NV）中心（通常用于量子傳感的原子尺度缺陷）時(shí)，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中存在異常模式。

圖 1：14NV 中心的電子-核相互作用。資料來源：S. Alex Breitweiser，Mathieu Ouellet，Tzu-Yung Huang 等人，《Quadrupolar Resonance Spectroscopy of Individual Nuclei Using a Room-Temperature Quantum Sensor》，《Nano Letters》（2024）。

這些周期性信號(hào)看起來像是實(shí)驗(yàn)偽影，但經(jīng)過大量的故障排除后仍然存在?；氐?20 世紀(jì) 50 年代和 60 年代的核磁共振教科書，Breitweise 發(fā)現(xiàn)了一種物理機(jī)制，它可以解釋他們所看到的現(xiàn)象，但之前一直被認(rèn)為在實(shí)驗(yàn)上無足輕重。

技術(shù)的進(jìn)步使研究團(tuán)隊(duì)能夠探測(cè)和測(cè)量科學(xué)儀器曾經(jīng)無法測(cè)量的效應(yīng)。Brietweiser 說：“我們意識(shí)到，我們看到的不僅僅是異?，F(xiàn)象，我們正在進(jìn)入一個(gè)新的物理學(xué)體系，我們可以利用這項(xiàng)技術(shù)進(jìn)入這個(gè)體系?！?/p>

前所未有的精確度

通過與荷蘭代爾夫特理工大學(xué)（Delft University of Technology）研究人員的合作，Brietweiser 進(jìn)一步加深了對(duì)這種效應(yīng)的理解。該團(tuán)隊(duì)將實(shí)驗(yàn)物理、量子傳感和理論建模方面的專業(yè)知識(shí)結(jié)合起來，創(chuàng)造出了一種能夠以超高精度捕捉單原子信號(hào)的方法。

圖 2：?ZFS（zero-field splitting） 參數(shù)的影響。資料來源：S. Alex Breitweiser，Mathieu Ouellet，Tzu-Yung Huang 等人，《Quadrupolar Resonance Spectroscopy of Individual Nuclei Using a Room-Temperature Quantum Sensor》，《Nano Letters》（2024）。

ESE 的應(yīng)屆博士畢業(yè)生、論文的另一位共同第一作者 Mathieu Ouellet 解釋說：“這有點(diǎn)像在一張巨大的電子表格中孤立出一行。傳統(tǒng)的 NQR 得出的結(jié)果類似于平均值（你能從整體上了解數(shù)據(jù)，但對(duì)單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)卻一無所知）。有了這種方法，我們就好像揭開了平均值背后的所有數(shù)據(jù)，分離出了一個(gè)核的信號(hào)，并揭示了它的獨(dú)特性質(zhì)。”

表 1：所研究的每個(gè) NV 的電子 ZFS、Hyperfine 和14N 四極參數(shù)。資料來源：S. Alex Breitweiser，Mathieu Ouellet，Tzu-Yung Huang 等人，《Quadrupolar Resonance Spectroscopy of Individual Nuclei Using a Room-Temperature Quantum Sensor》，《Nano Letters》（2024）。

破譯信號(hào)

確定這一出乎意料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的理論基礎(chǔ)耗費(fèi)了大量精力。Ouellet 必須仔細(xì)檢驗(yàn)各種假設(shè)，運(yùn)行模擬并進(jìn)行計(jì)算，以便將數(shù)據(jù)與潛在原因相匹配。他解釋說：“這有點(diǎn)像根據(jù)癥狀診斷病人。數(shù)據(jù)指向一些不尋常的東西，但往往有多種可能的解釋。得出正確的診斷需要相當(dāng)長的時(shí)間?！?/p>

展望未來，研究人員看到了他們的方法在應(yīng)對(duì)緊迫的科學(xué)挑戰(zhàn)方面的巨大潛力。通過描述以前被掩蓋的現(xiàn)象，新方法可以幫助科學(xué)家更好地理解塑造我們世界的分子機(jī)制。

其他合著者包括 Tzu-Yung Huang（曾是賓夕法尼亞大學(xué)工程系 ESE 專業(yè)的博士生，現(xiàn)就職于諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室）和代爾夫特大學(xué)的 Tim H. Taminiau。

參考文獻(xiàn)：S. Alex Breitweiser，Mathieu Ouellet，Tzu-Yung Huang 等人，《Quadrupolar Resonance Spectroscopy of Individual Nuclei Using a Room-Temperature Quantum Sensor》，《Nano Letters》（2024）。

審核編輯 黃宇