来自 Forschungszentrum Jülich 的 Taner Esat 博士。图片来源：Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

来自德国Forschungszentrum Jülich和韩国IBS量子纳米科学中心（QNS）的一个国际研究团队开发了一种量子传感器，能够在原子长度尺度上检测微小的磁场。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MRI的量子材料工具。

该研究团队利用Jülich小组自下而上的单分子制造专业知识，同时在QNS进行实验，利用韩国团队领先的仪器和方法专业知识，开发了世界上第一个用于原子世界的量子传感器。

研究成果发表在Nature Nanotechnology上。

原子的直径比人类最粗的头发小一百万倍。这使得可视化和精确测量物理量（如从原子产生的电场和磁场）变得极具挑战性。为了从单个原子中感知到如此微弱的场，观测工具必须高度敏感，并且必须与原子本身一样小。

量子传感器是一种利用量子力学现象（例如电子的自旋或量子态的纠缠）进行精确测量的技术。在过去的几年里，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知电场和磁场，但人们认为无法同时掌握原子尺度的空间分辨率。

新的原子级量子传感器的成功在于使用一个单一分子。这是一种在概念上不同的传感方式，因为大多数其他传感器的功能依赖于晶格的缺陷——不完美。由于这些缺陷只有在深入嵌入材料中时才会发展其特性，因此能够感应电场和磁场的缺陷将始终与物体保持相当大的距离，从而阻止其在单个原子的尺度上看到实际物体。

研究小组改变了这种方法，并开发了一种工具，该工具使用单个分子来感知原子的电和磁特性。分子附着在扫描隧道显微镜的尖端，并且可以在距离实际物体几米原子距离内的地方。

Jülich团队的主要作者Taner Esat博士表达了他对潜在应用的兴奋，他说：“这种量子传感器改变了游戏规则，因为它提供了与MRI一样丰富的材料图像，同时为量子传感器的空间分辨率设定了新的标准。这将使我们能够在最基本的层面上探索和理解材料。

这项长期的合作取决于Esat博士（以前是QNS的博士后）他搬回了Jülich，在那里他构思了这种传感分子。他选择回到QNS进行研究，以便使用该中心的尖端仪器来证明这项技术。

该传感器具有能量分辨率，允许检测磁场和电场的变化，其空间分辨率约为ångström的十分之一，其中1 ångström通常对应于一个原子直径。此外，量子传感器可以在全球现有的实验室中构建和实施。

“这一成就之所以如此引人注目，是因为我们使用了一个精心设计的量子物体来自下而上地解析基本的原子特性。以前用于可视化材料的技术使用大型笨重的探针来尝试分析微小的原子特征，“QNS的主要作者Dimitry Borodin博士说。“你必须很小才能看到小。”

这种突破性的量子传感器有望为工程量子材料和设备、设计新的催化剂以及探索分子系统的基本量子行为（例如生物化学）开辟变革性途径。

正如QNS的PI Yujeong Bae所指出的那样，“观察和研究物质的工具的革命源于积累的基础科学。正如理查德·费曼（Richard Feynman）所说，“底部有足够的空间”，技术在原子层面上操纵的潜力是无限的。

Jülich研究小组负责人Temirov教授补充说：“很高兴看到我们在分子操纵方面的长期工作如何导致构建了一个创纪录的量子设备。

这种原子级量子传感器的发展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的影响。

更多信息：用于原子级电场和磁场的量子传感器，《自然纳米技术》（2024）。DOI： 10.1038/s41565-024-01724-z

期刊信息： Nature Nanotechnology