کشف انقلابی در فیزیک: اتم‌های منفرد را با حسگر کوانتومی ببینید!

یک گام نوین در علم اندازه‌گیری کوانتومی

دانشمندان از دهه‌ی ۱۹۵۰ از امواج رادیویی برای شناسایی “اثر انگشت” مولکولیِ مواد نامعلوم بهره می‌برند. این روش‌ها در زمینه‌های مختلفی مثل تصویربرداری از بدن انسان با دستگاه‌های MRI و شناسایی مواد خطرناک در فرودگاه‌ها، کارآمد بوده‌اند. با این حال، تکنیک‌های فعلی متکی به سیگنال‌هایی هستند که حاصل میانگین‌گیری از تریلیون‌ها اتم هستند و همین موضوع، امکان تشخیص تغییرات جزئی بین مولکول‌های تکی را از بین می‌برد. این محدودیت‌ها، کاربرد این روش‌ها را در حوزه‌هایی مثل تحقیقات روی پروتئین‌ها، جایی که تفاوت‌های کوچک در شکل مولکول می‌تواند عملکرد را تحت تأثیر قرار دهد و حتی تفاوت بین سلامتی و بیماری را رقم بزند، دشوار می‌کند.

نگاهی ریزبینانه به زیر اتم‌ها

در حال حاضر، محققان در دانشکده‌ی مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا (Penn Engineering)، از حسگرهای کوانتومی برای ایجاد نوعی جدید از طیف‌سنجی رزونانس چهارقطبی هسته‌ای (NQR) استفاده کرده‌اند. این تکنیک معمولاً برای شناسایی داروها و مواد منفجره یا آنالیز ترکیبات دارویی به کار می‌رود. روش جدید که در مجله‌ی Nano Letters منتشر شده، به قدری دقیق است که می‌تواند سیگنال‌های NQR را از اتم‌های منفرد تشخیص دهد — موفقیتی که قبلاً دستیابی به آن غیرممکن به نظر می‌رسید. این حساسیت بی‌سابقه، مسیرهای تازه‌ای را به روی پیشرفت‌های علمی در زمینه‌هایی مثل توسعه‌ی دارو باز می‌کند، جایی که درک فعل و انفعالات مولکولی در مقیاس اتمی، حیاتی است.

لی بست، استادیار در گروه مهندسی برق و سیستم‌ها (ESE) و مدیر آزمایشگاه مهندسی کوانتوم در دانشگاه پن و نویسنده‌ی اصلی این مقاله می‌گوید: «این تکنیک به ما امکان می‌دهد هسته‌های اتمیِ مجزا را از هم تفکیک کنیم و تفاوت‌های کوچکی را در مولکول‌هایی که به نظر یکسان می‌آیند، آشکار کنیم. با تمرکز بر روی یک هسته، می‌توانیم جزئیات بیشتری در مورد ساختار و رفتار مولکولی کشف کنیم که قبلاً پنهان بودند. این توانایی، به ما اجازه می‌دهد تا بلوک‌های سازنده‌ی جهان را در مقیاسی کاملاً جدید مورد مطالعه قرار دهیم.»

کشف غیرمنتظره

این کشف، حاصل یک مشاهده‌ی غیرمنتظره در طول آزمایش‌های مرسوم بود. الکس بریت‌ویزِر، فارغ‌التحصیل دکتری فیزیک از دانشکده‌ی هنر و علوم دانشگاه پن و نویسنده‌ی همکار این مقاله که اکنون محقق در IBM است، در حال کار با مراکز نیتروژن-جای خالی (NV) در الماس‌ها — نقص‌های اتمی که معمولاً در حس‌گری کوانتومی استفاده می‌شوند — بود که الگوهای غیرعادی در داده‌ها مشاهده کرد. به نظر می‌رسید که سیگنال‌های دوره‌ای، یک خطای آزمایشی هستند، اما پس از عیب‌یابی گسترده، همچنان ادامه داشتند. بریت‌ویزِر با بررسی کتاب‌های مرجع دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ در مورد رزونانس مغناطیسی هسته‌ای، یک مکانیسم فیزیکی را شناسایی کرد که می‌توانست توضیح دهد که چه چیزی را مشاهده می‌کند، اما قبلاً به عنوان یک موضوع بی‌اهمیت از نظر تجربی کنار گذاشته شده بود.

پیشرفت‌های تکنولوژیک و اکتشافات جدید در فیزیک

پیشرفت‌های فناوری، این امکان را برای تیم تحقیقاتی فراهم کرد تا اثراتی را شناسایی و اندازه‌گیری کنند که در گذشته، فراتر از دسترس ابزارهای علمی بودند. بریت‌ویزِر می‌گوید: «ما متوجه شدیم که فقط یک ناهنجاری مشاهده نمی‌کنیم؛ بلکه وارد یک رژیم جدید از فیزیک شده‌ایم که با این تکنولوژی، می‌توانیم به آن دسترسی پیدا کنیم.»

دقت بی‌نظیر

درک این اثر، از طریق همکاری با محققان دانشگاه فناوری دلفت در هلند، جایی که بریت‌ویزِر مدتی را به تحقیق در موضوعات مرتبط اختصاص داده بود، توسعه یافت. این همکاری شامل ترکیب تخصص در زمینه‌های فیزیک تجربی، حس‌گری کوانتومی و مدل‌سازی نظری بود. تیم تحقیقاتی، موفق به ایجاد روشی شد که قادر به ثبت سیگنال‌های اتمی با دقت فوق‌العاده بود – به صورت تفکیک شده. متیو آلت، فارغ‌التحصیل دکتری ESE و یکی از نویسندگان اصلی مقاله، توضیح می‌دهد: «این کمی شبیه به این است که یک ردیف را در یک صفحه‌ی گسترده‌ی بزرگ انتخاب کنیم. NQR سنتی، یک میانگین کلی را ارائه می‌دهد – شما یک حس کلی از داده‌ها دارید، اما چیزی در مورد نقاط داده‌ی فردی نمی‌دانید. با این روش، ما گویی تمام داده‌های پشت میانگین را کشف کرده‌ایم و سیگنال را از یک هسته جدا کرده‌ایم و ویژگی‌های منحصر به ‌فرد آن را آشکار کرده‌ایم.»

تحلیل سیگنال‌ها

تعیین مبنای نظری برای نتیجه‌ی تجربی غیرمنتظره، نیازمند تلاش زیادی بود. آلت مجبور بود فرضیه‌های مختلف را با دقت آزمایش کند و شبیه‌سازی‌ها و محاسباتی انجام دهد تا داده‌ها را با علل احتمالی مطابقت دهد. او توضیح می‌دهد: «این کمی شبیه به تشخیص بیماری بر اساس علائم است. داده‌ها به چیزی غیرعادی اشاره می‌کنند، اما اغلب توضیحات متعددی ممکن است وجود داشته باشد. طول کشید تا به تشخیص درستی برسیم.»

نگاهی به آینده

محققان معتقدند که روش آن‌ها، پتانسیل عظیمی برای حل چالش‌های علمی فوری در آینده دارد. با توصیف پدیده‌هایی که قبلاً پنهان بودند، این روش جدید می‌تواند به دانشمندان کمک کند تا مکانیسم‌های مولکولی که جهان ما را شکل می‌دهند، را بهتر درک کنند. این تحقیق در دانشکده‌ی مهندسی و علوم کاربردی دانشگاه پنسیلوانیا انجام شد و توسط بنیاد ملی علوم (ECCS-1842655، DMR-2019444) پشتیبانی شد. حمایت‌های اضافی از سوی شورای تحقیقات علوم طبیعی و مهندسی کانادا، از طریق یک بورس دکتری که به آلت اعطا شد، و از سوی IBM، از طریق یک بورس دکتری که به بریت‌ویزِر اعطا شد، ارائه شد. همکاران دیگری که در این تحقیق نقش داشتند شامل تسو-یونگ هوانگ، که قبلاً دانشجوی دکتری در ESE در دانشگاه پن بود و اکنون در آزمایشگاه‌های نوکیا مشغول به کار است، و تیم اچ. تامینیو از دانشگاه فناوری دلفت هستند.

“`