韩国和德国研究人员开发的一种新型量子传感器能够以高精度测量原子尺度的磁场。该技术使用单个分子进行检测，具有卓越的分辨率，并有望在量子材料和分子系统分析方面取得重大进展。

在科学领域取得了一项突破，韩国IBS量子纳米科学中心（QNS）和德国于利希研究中心的一个国际研究团队研发出了一种量子传感器，这种传感器能在原子长度范围内检测到微小的磁场。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。

研究团队利用裘利希小组自下而上的单分子制造技术方面的专业知识，在QNS进行试验，并利用韩国团队前沿的仪器和方法论技术，研发出了世界上第一台用于原子世界的量子传感器。

原子尺度测量中的挑战

原子的直径比最粗的人发还要小一百万倍。这使得可视化和精确测量从原子中产生的电场和磁场等物理量变得极具挑战性。为了感知来自单个原子的微弱场，观察工具必须具有高度的敏感性，并且其尺寸要与原子本身相当。

量子传感器是一种利用量子力学现象（如电子自旋或量子态纠缠）进行精确测量的技术。近年来，已经开发出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，但人们认为原子尺度的空间分辨率无法同时掌握。

量子传感技术创新

新型原子尺度量子传感器的成功之处在于使用了单个分子。这是一种概念上截然不同的传感方式，因为大多数其他传感器的功能都依赖于晶体晶格的缺陷——一种不完善。由于这种缺陷只有在深深嵌入材料中时才会发展出其特性，因此这种能够感知电场和磁场的缺陷总是会与物体保持相当大的距离，使其无法从单个原子的尺度上看到实际物体。研究团队改变了方法，开发了一种使用单个分子来感知原子电学和磁学性质的工具。该分子连接到扫描隧道显微镜的尖端，可以接近实际物体几个原子距离的位置。

尤利希团队的主要作者塔内·埃萨特博士对这项技术的潜在应用表示了极大的兴奋，他说：“这款量子传感器具有颠覆性的意义，因为它提供了像核磁共振成像一样丰富的材料图像，同时又为量子传感器的空间分辨率设定了新标准。这将使我们能够在最基本的层面上探索和了解材料。”这项长期合作的关键在于埃萨特博士，他之前曾在QNS做过博士后研究，之后返回尤利希并构想出了这种传感分子。他选择回到QNS进行研究，以便利用该中心尖端仪器来验证这项技术。

该研究团队通过将PTCDA分子附着在STM的尖端并测量ESR，达到了前所未有的灵敏度和空间分辨率。图片来源：基础科学研究所

意义及未来展望

该传感器具有能量分辨率，能够检测磁场和电场的变化，空间分辨率约为十分之一埃，其中1埃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的现有实验室中构建和实施。

QNS 的主要作者 Dimitry Borodin 博士强调说：“之所以这一成果如此显著，是因为我们使用了一种设计精巧的量子对象，从底部开始解决基本原子属性问题。之前的材料可视化技术使用大型、笨重的探针来试图分析微小的原子特征。你必须小才能看到小。”

这款开创性的量子传感器有望为量子材料和设备的工程、新催化剂的设计以及分子系统（如生物化学）的基本量子行为的探索开辟变革性的途径。正如QNS项目的首席研究员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·费曼所说，‘底部有足够的空间’，在原子层面进行操纵的技术潜力是无限的。”尤利希研究小组组长Temirov教授补充道：“看到我们在分子操纵方面的长期工作如何促成了一项创纪录的量子设备的构建，这令人兴奋不已。”

这项研究结果于7月25日发表在《自然·纳米技术》杂志上。这种原子尺度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，并有望对各个科学学科产生深远的影响。

参考：Taner Esat、Dmitriy Borodin、Jeongmin Oh、Andreas J. Heinrich、F. Stefan Tautz、Yujeong Bae和Ruslan Temirov的“原子尺度电场和磁场的量子传感器”，2024年7月25日，《自然·纳米技术》。DOI: 10.1038/s41565-024-01724-z