德国Forschungszentrum j lich和韩国IBS量子纳米科学中心(QNS)组成的国际研究小组开发出了一种能够探测原子长度尺度上的微小磁场的量子传感器。这项开创性的工作实现了科学家们长期以来的梦想:一种类似核磁共振成像的量子材料工具。

研究组在QNS进行实验的过程中，利用j 利希研究组的自下而上的单分子制造技术，利用国内研究组的尖端仪器和方法，开发出了世界上第一个原子世界的量子传感器。

研究结果发表在《自然纳米技术》杂志上。

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。

一种提高分辨率的新方法

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，因此这些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。

j lich团队的主要作者Taner Esat博士表达了他对潜在应用的兴奋，他说:“这种量子传感器是一种游戏规则改变者，因为它提供了与MRI一样丰富的材料图像，同时为量子传感器的空间分辨率设定了新的标准。这将使我们能够在最基本的层面上探索和理解材料。”

这项长期合作取决于埃萨特博士，他之前是qns的博士后，后来搬回了j 利希，在那里他构想了这种传感分子。他选择回到QNS进行研究，以便使用该中心的尖端仪器证明这项技术。

该传感器具有能量分辨率，可以检测磁场和电场的变化，其空间分辨率为ångström的十分之一，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 利希研究小组的负责人Temirov教授补充说:“看到我们在分子操纵方面的长期工作如何导致了一个创纪录的量子器件的构建，这是令人兴奋的。”

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。

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