宾夕法尼亚大学：开发出揭示亚原子信号的新型量子传感技术

自 20 世纪 50 年代以来，科学家们一直利用无线电波来揭示未知材料的分子 “指纹”，帮助完成各种任务，如用核磁共振成像仪扫描人体和在机场检测爆炸物。

然而，这些方法依赖的是数万亿原子发出的平均信号，因此无法检测到单个分子之间的微小变化。这种局限性阻碍了蛋白质研究等领域的应用，因为在这些领域中，形状上的微小差异控制着功能，并能决定健康与疾病的区别。

亚原子的深刻见解

现在，宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院（Penn Engineering）的工程师们利用量子传感器实现了核四极共振（NQR）光谱学的突破性变化，这种技术传统上用于检测毒品和爆炸物或分析药物。

这种新方法在《Nano Letters》上进行了描述，它非常精确，可以检测到单个原子的 NQR 信号（这曾被认为是无法实现的壮举）。这种前所未有的灵敏度为药物开发等领域的突破打开了大门，在这些领域，了解原子水平的分子相互作用至关重要。

宾夕法尼亚大学电子与系统工程（ESE）副教授、宾夕法尼亚大学量子工程实验室（QEL）主任、论文的资深作者 Lee Bassett 说：“这项技术使我们能够分离单个原子核，揭示被认为是相同分子中的微小差异。通过聚焦单个原子核，我们可以发现以前被掩盖的分子结构和动力学细节。这种能力使我们能够在全新的尺度上研究自然界的构成要素。”

用新论文中描述的核四极共振形式检测到的微小核差异的艺术表现。(图片来源：Mathieu Ouellet）。

意外发现

这一发现源于常规实验中的一次意外观察。Alex Breitweise 是宾夕法尼亚大学艺术与科学学院物理学专业的应届博士毕业生，也是这篇论文的共同第一作者，现在是 IBM 公司的一名研究员，他在研究金刚石中的氮空位（NV）中心（通常用于量子传感的原子尺度缺陷）时，发现数据中存在异常模式。

图 1：14NV 中心的电子-核相互作用。资料来源：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）。

这些周期性信号看起来像是实验伪影，但经过大量的故障排除后仍然存在。回到 20 世纪 50 年代和 60 年代的核磁共振教科书，Breitweise 发现了一种物理机制，它可以解释他们所看到的现象，但之前一直被认为在实验上无足轻重。

技术的进步使研究团队能够探测和测量科学仪器曾经无法测量的效应。Brietweiser 说：“我们意识到，我们看到的不仅仅是异常现象，我们正在进入一个新的物理学体系，我们可以利用这项技术进入这个体系。”

前所未有的精确度

通过与荷兰代尔夫特理工大学（Delft University of Technology）研究人员的合作，Brietweiser 进一步加深了对这种效应的理解。该团队将实验物理、量子传感和理论建模方面的专业知识结合起来，创造出了一种能够以超高精度捕捉单原子信号的方法。

图 2： ZFS（zero-field splitting） 参数的影响。资料来源：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 的应届博士毕业生、论文的另一位共同第一作者 Mathieu Ouellet 解释说：“这有点像在一张巨大的电子表格中孤立出一行。传统的 NQR 得出的结果类似于平均值（你能从整体上了解数据，但对单个数据点却一无所知）。有了这种方法，我们就好像揭开了平均值背后的所有数据，分离出了一个核的信号，并揭示了它的独特性质。”

表 1：所研究的每个 NV 的电子 ZFS、Hyperfine 和14N 四极参数。资料来源：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）。

破译信号

确定这一出乎意料的实验结果的理论基础耗费了大量精力。Ouellet 必须仔细检验各种假设，运行模拟并进行计算，以便将数据与潜在原因相匹配。他解释说：“这有点像根据症状诊断病人。数据指向一些不寻常的东西，但往往有多种可能的解释。得出正确的诊断需要相当长的时间。”

展望未来，研究人员看到了他们的方法在应对紧迫的科学挑战方面的巨大潜力。通过描述以前被掩盖的现象，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。

其他合著者包括 Tzu-Yung Huang（曾是宾夕法尼亚大学工程系 ESE 专业的博士生，现就职于诺基亚贝尔实验室）和代尔夫特大学的 Tim H. Taminiau。

参考文献：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）。

审核编辑 黄宇