探测物质最小组成的能力长期以来一直令科学家们着迷，推动着医学、安全和材料科学的进步。核四极共振（NQR）光谱法是一种基于原子核量子力学性质的射频光谱技术，通过探测核四极矩与局部电场梯度之间的相互作用来揭示分子结构。
这些技术尽管非常有用，但由于它们依赖于宏观原子核集合，因此在本质上存在局限。这种局限性在蛋白质研究或药物开发等领域会掩盖至关重要的分子间差异。
据麦姆斯咨询报道，美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院最近取得的突破克服了这些局限。研究人员利用量子传感器改进了NQR光谱法，以探测单个原子核的信号，这在以前被认为是不可能实现的。这一进步为分子科学的变革性发现打开了大门。
传统的NQR光谱法利用无线电波来识别分子“指纹”，使其成为检测爆炸物、分析药物以及测温研究的重要手段。然而，这些方法会将数万亿个原子的信号平均化，从而忽略了细微但重要的分子差异。例如，在蛋白质研究中，微小的结构变化决定了蛋白质的功能，能够区分健康与疾病。
¹⁴NV色心的电子-核相互作用
基于金刚石缺陷（氮-空位（NV）色心）的量子传感器，现在提供了一种解决方案。NV色心是金刚石晶格中的原子级缺陷，可以探测单个核自旋。这些色心的电子自旋态可在室温下利用激光和微波信号对其进行操控。研究人员利用动态去耦合（DD）等先进的控制序列放大了超精细耦合，实现了前所未有的灵敏度和精确度。
这项研究成果已经发表于Nano Letters期刊。宾夕法尼亚大学量子工程实验室主任、该研究通讯作者Lee Bassett解释说：“这项技术使我们能够分离出单个原子核，并揭示被认为是相同分子的微小差异。通过聚焦单个原子核，我们可以发现过去被掩盖的分子结构和动力学细节。”
这一突破是在涉及金刚石NV色心的实验中发现的。Alex Breitweiser当时是宾夕法尼亚大学的一名博士生，也是这项研究论文的共同第一作者，他在常规实验中观察到了意想不到的周期性信号。起初，这些信号被认为是人为痕迹，但经过严格的故障排除后，它们依然存在。回顾几十年前的核磁共振教科书，Breitweiser发现了一个过去被忽视的物理机制。
“量子传感技术的进步使我们能够探测到曾经被认为微不足道的效应。我们意识到这不仅仅是一个异常现象。”Breitweiser回忆称，“我们正在利用这项技术突破一个新的物理学体系。”
与代尔夫特理工大学的进一步合作完善了这项技术。通过整合实验物理、量子传感和理论建模，该团队开发出了一种能够超精准捕捉单原子信号的工具。另一位共同第一作者Mathieu Ouellet解释说：“这有点像在一张巨大的电子表格中分离出一行。传统的NQR光谱法提供的是平均值，但我们从单个原子核中分离出了独特的数据点。”
这一发现的核心在于NV色心与其固有的氮-14核的相互作用。NV色心的电子自旋会与附近的氮-14和碳-13等其它同位素核自旋相互作用。
研究人员利用这些相互作用绘制了核四极矩哈密顿量，一种描述具有四极矩的原子核在电场梯度中相互作用的量子力学模型。他们观察到NV色心之间的核四极和超精细参数发生了显著变化，还观察到了以前未曾报道过的对称性破缺四极项。
禁止跃迁
实验还揭示了核哈密顿参数与电子零场分裂（ZFS）参数之间的相关性，从而揭示了电场或应变场引起的局部化学结构和变形。这些发现凸显了量子增强NQR光谱法在探索过去隐藏的分子行为方面的潜力。
为了破解这些发现，Ouellet进行了大量的模拟和假设测试。他指出：“数据指向了一些不寻常的东西，存在多种可能的解释。我们花了很大努力才得出正确的诊断结果。能够如此精确地测量这些参数，也为了解应变和电场对分子结构的影响开辟了新途径。
研究人员设想，未来这些量子传感技术可以应用于研究蛋白质折叠的力学原理或药物与其分子靶标之间的相互作用。这些研究对于开发下一代药物以及从分子水平了解疾病至关重要。
这项研究的意义远远超出了分子表征。通过精确控制和测量单个原子核，量子增强NQR光谱法有望彻底变革药物开发、蛋白质分析和材料科学。
初始化和相干演化
研究团队在室温下分离和操纵核状态的能力也暗示了量子计算和传感技术的更广泛应用。正如Bassett所说：“我们正在一个全新的尺度上研究自然界的基本构件。”
该方法对局部化学环境的敏感性，还能推动高压或高温等极端条件下的材料研究。这些洞察对于设计具有特殊性能的材料（例如超导体或用于可再生能源应用的先进催化剂）非常宝贵。
这项研究不仅展示了量子传感器的潜力，还凸显了现代科学的协作本质。包括代尔夫特理工大学在内的各机构之间的合作，对推动研究的发展起到了重要作用。通过将理论专业知识与实验创新相结合，该团队为分子分析的新时代奠定了基础。
通过表征过去不为人知的现象，这一创新为了解支配生命和物质的分子机制提供了强大的新视角。这项成果体现了量子技术如何推动突破科学探索的界限，使未来的理解精度和深度不再受观测尺度的限制。
