自 20 世紀 50 年代以來，科學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，如用核磁共振成像儀掃描人體和在機場檢測爆炸物。

然而，這些方法依賴的是數萬億原子發(fā)出的平均信號，因此無法檢測到單個分子之間的微小變化。這種局限性阻礙了蛋白質研究等領域的應用，因為在這些領域中，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

現在，賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院（Penn Engineering）的工程師們利用量子傳感器實現了核四極共振（NQR）光譜學的突破性變化，這種技術傳統上用于檢測毒品和爆炸物或分析藥物。

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

賓夕法尼亞大學電子與系統工程（ESE）副教授、賓夕法尼亞大學量子工程實驗室（QEL）主任、論文的資深作者 Lee Bassett 說：“這項技術使我們能夠分離單個原子核，揭示被認為是相同分子中的微小差異。通過聚焦單個原子核，我們可以發(fā)現以前被掩蓋的分子結構和動力學細節(jié)。這種能力使我們能夠在全新的尺度上研究自然界的構成要素?！?/p>

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

意外發(fā)現

這一發(fā)現源于常規(guī)實驗中的一次意外觀察。Alex Breitweise 是賓夕法尼亞大學藝術與科學學院物理學專業(yè)的應屆博士畢業(yè)生，也是這篇論文的共同第一作者，現在是 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，發(fā)現數據中存在異常模式。

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）。

這些周期性信號看起來像是實驗偽影，但經過大量的故障排除后仍然存在?；氐?20 世紀 50 年代和 60 年代的核磁共振教科書，Breitweise 發(fā)現了一種物理機制，它可以解釋他們所看到的現象，但之前一直被認為在實驗上無足輕重。

技術的進步使研究團隊能夠探測和測量科學儀器曾經無法測量的效應。Brietweiser 說：“我們意識到，我們看到的不僅僅是異?，F象，我們正在進入一個新的物理學體系，我們可以利用這項技術進入這個體系?！?/p>

前所未有的精確度

通過與荷蘭代爾夫特理工大學（Delft University of Technology）研究人員的合作，Brietweiser 進一步加深了對這種效應的理解。該團隊將實驗物理、量子傳感和理論建模方面的專業(yè)知識結合起來，創(chuàng)造出了一種能夠以超高精度捕捉單原子信號的方法。

圖 2：?ZFS（zero-field splitting） 參數的影響。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：“這有點像在一張巨大的電子表格中孤立出一行。傳統的 NQR 得出的結果類似于平均值（你能從整體上了解數據，但對單個數據點卻一無所知）。有了這種方法，我們就好像揭開了平均值背后的所有數據，分離出了一個核的信號，并揭示了它的獨特性質?！?/p>

表 1：所研究的每個 NV 的電子 ZFS、Hyperfine 和14N 四極參數。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

確定這一出乎意料的實驗結果的理論基礎耗費了大量精力。Ouellet 必須仔細檢驗各種假設，運行模擬并進行計算，以便將數據與潛在原因相匹配。他解釋說：“這有點像根據癥狀診斷病人。數據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長的時間?！?/p>

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

其他合著者包括 Tzu-Yung Huang（曾是賓夕法尼亞大學工程系 ESE 專業(yè)的博士生，現就職于諾基亞貝爾實驗室）和代爾夫特大學的 Tim H. Taminiau。

參考文獻：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