Antureita atomien ja nanomittojen maailmaan

Kansainvälinen tutkimusryhmä Saksan Forschungszentrum Jülichistä ja Korean IBS Center for Quantum Nanosciencesta (QNS) on kehittänyt tieteellisessä läpimurrossa kvanttianturin, joka pystyy havaitsemaan magneettikenttiä atomien pituuksien tasolla.

Tämä uraauurtava työ toteuttaa tutkijoiden pitkäaikaisen unelman: MRI:n eli magneettikuvauksen kaltaisen työkalun kvanttimateriaalille.

Kvanttisensori on tekniikka, joka hyödyntää kvanttimekaanisia ilmiöitä, kuten elektronin spiniä tai kvanttitilojen lomittumista tarkkoihin mittauksiin. Useita kvanttiantureita on kehitetty viime vuosien aikana. Vaikka monet kvanttianturit pystyvät havaitsemaan sähkö- ja magneettikenttiä, uskottiin, että atomimittakaavaista spatiaalista resoluutiota ei voida hallita samanaikaisesti.

Uuden atomimittakaavan kvanttianturin menestys piilee yksittäisen molekyylin käytössä. Tämä on käsitteellisesti erilainen tunnistustapa, koska useimpien muiden antureiden toiminta perustuu kidehilan vikaan. Tällöin sähkö- ja magneettikenttiä havaitseva vika jää aina melko suurelle etäisyydelle kohteesta, mikä estää näkemästä todellista kohdetta yksittäisten atomien mittakaavassa.

Tutkimusryhmä muutti lähestymistapaa ja kehitti työkalun, joka käyttää yhtä molekyyliä atomien sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien havaitsemiseen. Molekyyli on kiinnitetty pyyhkäisytunnelimikroskoopin kärkeen ja voidaan tuoda muutaman atomin etäisyydelle todellisesta kohteesta.

Dr. Taner Esat, Jülich-tiimin johtava kirjoittaja, ilmaisi innostuksensa mahdollisista sovelluksista ja totesi: "Tämä kvanttianturi on pelin muuttaja, koska se tarjoaa kuvia materiaaleista, jotka ovat yhtä rikkaita kuin MRI ja asettaa samalla uuden standardin kvanttianturien tilaresoluutiolle. Tämä antaa meille mahdollisuuden tutkia ja ymmärtää materiaaleja niiden perustavimmalla tasolla."

Anturin energiaresoluutio mahdollistaa magneetti- ja sähkökenttien muutosten havaitsemisen ångströmin kymmenesosan luokkaa olevalla spatiaalisella resoluutiolla, jossa 1 Ångström vastaa tyypillisesti yhtä atomin halkaisijaa. Lisäksi kvanttianturia voidaan rakentaa ja toteuttaa olemassa olevissa laboratorioissa maailmanlaajuisesti.

Kalifornian Irvine -yliopiston tiedemiehet löysivät puolestaan äskettäin yksiulotteisen nanomittaisen materiaalin, jonka väri muuttuu lämpötilan muuttuessa.

"Huomasimme, että voimme valmistaa todella pieniä ja herkkiä lämpömittareita", sanoo, UC Irvinen kemian professori Maxx Arguilla.

"Lämpötilan mittaamisen tarve on tärkeä, koska monet biologiset ja teolliset prosessit riippuvat pienten kohteiden lämpötilan muutosten seurannasta", hän lisäsi. "Meillä saattaa olla pian lämpömittareita, joita voisimme yrittää pistää soluihin."

Arguillan mukaan tämä materiaalitutkimuksen oheislöytö on ensimmäinen askel kohti uusia materiaaliluokkia, jotka mittaavat lämpötilalukemia nanometrin asteikolla.

Aiheesta aiemmin:

Kvanttianturien tarkkuutta voi edelleen parantaa

Lisää monipuolisia kvanttiantureita

Älykäs kvanttianturi