Nieuwe kwantumdetectietechnologie onthult subatomaire signalen

Sinds de jaren vijftig hebben wetenschappers radiogolven gebruikt om de moleculaire ‘vingerafdrukken’ van onbekende materialen bloot te leggen, wat hielp bij uiteenlopende taken als het scannen van het menselijk lichaam met MRI-machines en het detecteren van explosieven op luchthavens.

Deze methoden zijn echter gebaseerd op signalen die gemiddeld zijn van biljoenen atomen, waardoor het onmogelijk is om kleine variaties tussen individuele moleculen te detecteren. Dergelijke beperkingen belemmeren toepassingen op gebieden als eiwitonderzoek, waar kleine verschillen in vormcontrolefunctionaliteit het verschil tussen gezondheid en ziekte kunnen bepalen.

Nu hebben ingenieurs van de University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science (Penn Engineering) kwantumsensoren gebruikt om een ​​baanbrekende variant van nucleaire quadrupolaire resonantie (NQR) spectroscopie te realiseren, een techniek die traditioneel wordt gebruikt om medicijnen en explosieven te detecteren of farmaceutische producten te analyseren.

Beschreven in Nano-brievenis de nieuwe methode zo nauwkeurig dat deze de NQR-signalen van individuele atomen kan detecteren – een prestatie die ooit als onhaalbaar werd beschouwd. Deze ongekende gevoeligheid opent de deur naar doorbraken op gebieden als de ontwikkeling van geneesmiddelen, waar het begrijpen van moleculaire interacties op atomair niveau van cruciaal belang is.

“Deze techniek stelt ons in staat individuele kernen te isoleren en kleine verschillen bloot te leggen in wat werd gedacht dat het identieke moleculen waren”, zegt Lee Bassett, universitair hoofddocent in Electrical and Systems Engineering (ESE), directeur van Penn’s Quantum Engineering Laboratory (QEL) en de krant. senior auteur.

“Door ons op een enkele kern te concentreren, kunnen we details over de moleculaire structuur en dynamiek ontdekken die voorheen verborgen waren. Deze mogelijkheid stelt ons in staat de bouwstenen van de natuurlijke wereld op een geheel nieuwe schaal te bestuderen.”

Een onverwachte ontdekking

De ontdekking kwam voort uit een onverwachte observatie tijdens routine-experimenten. Alex Breitweiser, onlangs gepromoveerd in natuurkunde aan Penn’s School of Arts & Sciences en co-eerste auteur van het artikel, die nu onderzoeker is bij IBM, werkte met stikstof-vacancy (NV) centra in diamanten – vaak defecten op atomaire schaal gebruikt bij kwantumdetectie – toen hij ongebruikelijke patronen in de gegevens opmerkte.

De periodieke signalen leken op een experimenteel artefact, maar bleven bestaan ​​na uitgebreide probleemoplossing. Terugkerend naar leerboeken uit de jaren vijftig en zestig over nucleaire magnetische resonantie, identificeerde Breitweiser een fysiek mechanisme dat verklaarde wat ze zagen, maar dat eerder als experimenteel onbeduidend was afgedaan.

Dankzij technologische vooruitgang kon het team effecten detecteren en meten die ooit buiten het bereik van wetenschappelijke instrumenten lagen. “We realiseerden ons dat we niet alleen een anomalie zagen”, zegt Brietweiser. “We waren aan het inbreken in een nieuw natuurkundig regime waartoe we toegang hebben met deze technologie.”

Ongekende precisie

Het inzicht in het effect werd verder ontwikkeld door samenwerking met onderzoekers van de Technische Universiteit Delft in Nederland, waar Breitweiser tijd had besteed aan onderzoek naar gerelateerde onderwerpen als onderdeel van een internationale fellowship. Door expertise op het gebied van experimentele natuurkunde, kwantumdetectie en theoretische modellering te combineren, creëerde het team een ​​methode die in staat is om afzonderlijke atomaire signalen met buitengewone precisie vast te leggen.

“Dit lijkt een beetje op het isoleren van een enkele rij in een enorm spreadsheet”, legt Mathieu Ouellet uit, recentelijk gepromoveerd bij ESE en de andere co-eerste auteur van het artikel.

“Traditionele NQR produceert zoiets als een gemiddelde: je krijgt een idee van de gegevens als geheel, maar weet niets over de individuele gegevenspunten. Met deze methode is het alsof we alle gegevens achter het gemiddelde hebben blootgelegd, waardoor het signaal isoleert uit één kern en onthult zijn unieke eigenschappen.”

Het ontcijferen van de signalen

Het bepalen van de theoretische onderbouwing van het onverwachte experimentele resultaat kostte veel moeite. Ouellet moest verschillende hypothesen zorgvuldig testen, simulaties uitvoeren en berekeningen uitvoeren om de gegevens te matchen met mogelijke oorzaken.

“Het lijkt een beetje op het diagnosticeren van een patiënt op basis van symptomen”, legt hij uit. “De gegevens wijzen op iets ongewoons, maar er zijn vaak meerdere mogelijke verklaringen. Het duurde behoorlijk lang voordat we tot de juiste diagnose kwamen.”

Vooruitkijkend zien de onderzoekers een enorm potentieel voor hun methode om dringende wetenschappelijke uitdagingen aan te pakken. Door fenomenen te karakteriseren die voorheen verborgen waren, zou de nieuwe methode wetenschappers kunnen helpen de moleculaire mechanismen die onze wereld vormgeven beter te begrijpen.