一个国际研究小组开发了一种突破性的量子传感器，能够在原子尺度上探测微小的磁场，这可能会彻底改变我们研究量子材料和系统的方法。来源:SciTechDaily.com
韩国和德国研究人员开发的新型量子传感器可以在原子尺度上高精度地测量磁场。该技术使用单个分子进行检测，提供了卓越的分辨率，并有可能在量子材料和分子系统分析方面取得重大进展。
韩国IBS量子纳米科学中心(QNS)和德国j
研究组在QNS进行实验时，利用j
原子尺度测量的挑战
原子的直径比人类最粗的头发还要小一百万倍。这使得可视化和精确测量原子产生的电场和磁场等物理量变得极具挑战性。为了从单个原子中探测到如此微弱的磁场，观测工具必须高度敏感，并且必须和原子本身一样小。
量子传感器是一种利用电子自旋或量子态纠缠等量子力学现象进行精确测量的技术。在过去的几年中，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应电场和磁场，但人们认为原子尺度的空间分辨率无法同时掌握。
研究小组通过将PTCDA分子附着在STM尖端并测量ESR，实现了前所未有的灵敏度和空间分辨率水平。资料来源:基础科学研究所
量子传感技术创新
这种新型原子级量子传感器的成功之处在于它只使用了一个分子。这是一种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。由于这些缺陷只有在深深嵌入材料中时才会发展出它们的特性，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，从而使其无法在单个原子的尺度上看到实际物体。研究小组改变了方法，开发了一种利用单个分子来感知原子的电和磁特性的工具。这种分子附着在扫描隧道显微镜的尖端，可以被带到离实际物体只有几个原子距离的地方。
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研究小组通过将PTCDA分子附着在STM尖端并测量ESR，实现了前所未有的灵敏度和空间分辨率水平。资料来源:基础科学研究所
影响及未来展望
该传感器具有能量分辨率，可以检测磁场和电场的变化，空间分辨率为十分之一埃，其中1 Ångström通常对应于一个原子直径。此外，量子传感器可以在世界各地现有的实验室中构建和实现。
“这项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，从下到上解析了基本的原子特性。QNS的主要作者Dimitry Borodin博士强调说:“之前的可视化材料技术使用大而笨重的探针来试图分析微小的原子特征。”“你必须渺小才能看到渺小。”
这种开创性的量子传感器将为工程量子材料和器件、设计新的催化剂以及探索分子系统(如生物化学)的基本量子行为开辟变革性的途径。正如QNS项目的PI Yujeong Bae所指出的那样，“观察和研究物质的工具的革命来自于积累的基础科学。正如理查德·费曼(Richard Feynman)所说，‘宇宙底部还有很多空间’，在原子水平上进行操纵的技术潜力是无限的。”j
研究结果发表在7月25日的《自然纳米技术》杂志上。这种原子级量子传感器的开发标志着量子技术领域的一个重要里程碑，并有望在各个科学学科中产生深远的影响。
参考文献:“用于原子尺度电场和磁场的量子传感器”，作者:Taner Esat, Dmitriy Borodin, Jeongmin Oh, Andreas J. Heinrich, F. Stefan Tautz, Yujeong Bae和Ruslan Temirov, 2024年7月25日，Nature Nanotechnology。DOI: 10.1038 / s41565 - 024 - 01724 - z
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希望本篇文章《前沿量子传感器探索微观原子世界的奥秘》能对你有所帮助！
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