دانشمندان ابزار 'MRI' برای تصویربرداری از اتم‌هایی میلیون بار کوچکتر از مو تولید کردند
تلاشی مشترک بین محققان مرکز علوم نانو کوانتوم (QNS) در کره جنوبی و مرکز تحقیقاتی یولیش در آلمان منجر به توسعه ابزاری شبیه MRI برای مواد کوانتومی شده است.
همان‌طور که تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) تصاویر با وضوح بالا از قسمت‌های خاصی از بدن انسان تولید می‌کند، این حسگر کوانتومی می‌تواند جزئیاتی از ویژگی‌هایی مانند اسپین الکترون یا درهم‌تنیدگی کوانتومی را فراهم کند.
اتم‌ها واحد پایه ماده هستند، اما علاقه ما فراتر از ساختارهای پایه به حوزه کوانتوم رفته است. برای کشف پتانسیل فناوری‌هایی مانند محاسبات کوانتومی، دانشمندان مشتاق به درک میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی درون اتم‌ها هستند.
با اندازه‌های اتمی که میلیون بار کوچکتر از موی انسان است، ابزارهایی برای انجام این اندازه‌گیری‌ها نیز باید به اندازه کافی کوچک باشند. تلاش‌های مختلفی برای توسعه حسگرهای کوانتومی انجام شده است. در حالی که آن‌ها می‌توانند میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی ایجاد شده درون اتم را اندازه‌گیری کنند، وضوح آن‌ها کمتر از حد مطلوب است.
ترکیب توانمندی‌ها
تلاش‌های قبلی برای طراحی حسگر در مقیاس کوانتومی بر توانایی تشخیص نقصی در شبکه بلوری متکی بودند. از آنجا که این نقص‌ها عمیقاً درون ماده‌ای که برای توسعه حسگر استفاده می‌شود قرار دارند، توانایی آن برای اندازه‌گیری میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی همیشه یک فاصله منصفانه از اتم‌های در حال بررسی دارد.
همکاری تحقیقاتی بین تیم‌های QNS و یولیش به راهکاری تک مولکولی برای حسگرهای میدان الکتریکی و مغناطیسی از فاصله بسیار نزدیک منجر شد. گروه یولیش تخصص در ساخت تک مولکولی را تامین کرد، در حالی که تیم QNS ابزار و دانش روش‌شناختی را فراهم کرد.
ابزاری که توسط محققان توسعه داده شده است شامل یک مولکول متصل به نوک یک میکروسکوپ تونلی پیمایشی است که امکان بررسی اتم‌ها از فاصله بسیار نزدیک را فراهم می‌کند.
حسگر با وضوح بالا
"این حسگر کوانتومی یک تغییر بازی است زیرا تصاویری از مواد به وضوح MRI ارائه می‌دهد و در عین حال یک استاندارد جدید برای وضوح فضایی در حسگرهای کوانتومی قرار می‌دهد،" تانر اسات، محقق مرکز تحقیقاتی یولیش که ایده این حسگر را مطرح کرد، گفت. "این به ما اجازه می‌دهد که مواد را در بنیادی‌ترین سطحشان اکتشاف و درک کنیم."
هنگام آزمایش، محققان متوجه شدند که ابزار آن‌ها می‌تواند میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را با وضوح فضایی زیر یک دهم آنگستروم، که آنگستروم قطر یک اتم است و معادل ده میلیاردیم متر در واحدهای متریک است، تشخیص دهد.
"آنچه این دستاورد را بسیار برجسته می‌کند این است که ما از یک شیء کوانتومی با طراحی بسیار دقیق برای تفکیک ویژگی‌های پایه‌ای اتمی از پایین به بالا استفاده می‌کنیم،" دیمیتری برودین، محقق پسادکتری در QNS که نیز در این تحقیق شرکت داشت، افزود. "روش‌های قبلی برای تصویرسازی مواد از پروب‌های بزرگ و حجیم برای تلاش در تحلیل ویژگی‌های اتمی کوچک استفاده می‌کردند. شما باید کوچک باشید تا کوچک را ببینید."
یکی دیگر از دستاوردهای هیجان‌انگیز این فناوری این است که می‌توان آن را به‌راحتی در آزمایشگاه‌های سراسر جهان ساخته و استفاده کرد. بنابراین محققان کوانتومی در سراسر جهان فوراً از این توسعه بهره‌مند خواهند شد. این فناوری می‌تواند راه‌های جدیدی در علوم مواد باز کند و درک ما از حوزه کوانتوم را بهبود دهد.
"دیدن اینکه چگونه کار طولانی‌مدت ما در دستکاری مولکولی منجر به ساخت یک دستگاه کوانتومی رکوردشکن شده است، هیجان‌انگیز است،" روسلان تمیروف، استاد در مرکز تحقیقاتی یولیش، در بیانیه مطبوعاتی اضافه کرد.
یافته‌های تحقیق در مجله Nature Nanotechnology منتشر شده است.
