世界首个原子级量子传感器问世

研究将一种分子附着在扫描隧道显微镜尖端，实现了前所未有的灵敏度和空间分辨率。
图片来源：美国科学促进会网站

        原子直径比人类发丝还要细100万倍，要观察和精确测量原子产生的电场、磁场等物理量极为困难。为了从单个原子中探测如此弱的场，观察工具必须高度敏感，且尺寸需与原子相当。虽然许多量子传感器能够探测电场和磁场，但要在空间分辨率上达到原子尺度却是个极大挑战。

        此次的原子级量子传感器成功之处在于，它仅使用了单个分子。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都依赖于晶格缺陷。这些缺陷只有在深深嵌入材料中时才会显现其特性，因此这种能够探测电场和磁场的缺陷通常与物体保持相当大的距离，从而限制了在单个原子尺度上进行观测的能力。

        研究团队改变了方法，开发出一种使用单个分子来探测原子的电磁特性的工具。该分子附着在扫描隧道显微镜的尖端，可以将其带到距离实际物体仅几个原子的位置。

        这项开创性工具类似核磁共振成像（MRI）的量子材料设备，为量子传感器中的空间分辨率设立了新标准，将使科学家能够在最基本的层面上探索和理解物质。

       该传感器空间分辨率高达0.1埃，而1埃通常对应于一个原子直径，有望为量子材料和设备工程、新型催化剂设计以及分子系统（如生物化学）基本量子行为的研究开辟新途径。