世界首个原子级量子传感器问世

韩国基础科学研究所(IBS)量子纳米科学中心（QNS）和德国尤里希研究中心的国际研究团队开发出世界上首个原子级量子传感器，能够检测原子尺度的微小磁场。相关论文25日发表在《自然·纳米技术》上。这一成果标志着量子技术领域的一个重要里程碑，有望对多个科学领域产生深远影响。

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。