Nečekaný objev převratné varianty NQR dokáže detekovat signály z jednotlivých atomů

Nová metoda je tak přesná, že dokáže detekovat signály z jednotlivých atomů. Je to výkon, který se dříve považoval za nemožný.

Inženýři z Pennsylvánské univerzity, Fakulty inženýrství a aplikovaných věd, využili kvantové senzory k realizaci převratné varianty nukleární kvadrupolární rezonanční spektroskopie (NQR). Techniky tradičně používané k detekci drog a výbušnin, nebo k analýze léčiv.

Zaměřením na jediné jádro můžou vědci odhalit podrobnosti o molekulární struktuře a dynamice, které byly dříve skryté. Tato technika umožňuje studovat stavební kameny přírodního světa ve zcela novém měřítku.

Dílčí atomové poznatky

Vědci využívají rádiové vlny k odhalování molekulárních „otisků“ neznámých materiálů už od 50. let 20. století. Pomáhají například při skenování lidského těla pomocí magnetické rezonance, nebo při detekci výbušnin na letištích.

Tyto metody však spoléhají na signály zprůměrované z bilionů atomů, což znemožňuje detekovat drobné odchylky mezi jednotlivými molekulami. Taková omezení brání aplikacím ve výzkum proteinů. Malé rozdíly ve funkčnosti kontroly tvaru mohou určit rozdíl mezi zdravím a nemocí.

„Tato nová technika však umožňuje izolovat jednotlivá jádra a pomáhá odhalit drobné rozdíly v tom, co se považovalo za identické molekuly,“ říká Lee Bassett, docent v oboru elektrotechniky a systémového inženýrství (ESE).

Nečekaný objev při experimentech

Objev vyplynul z nečekaného pozorování během rutinních experimentů. Alex Breitweiser, čerstvý absolvent doktorského studia ve fyzice na Pensylvánské škole umění a věd a spoluautor článku, který je nyní výzkumníkem v IBM, pracoval s centry dusíkové vakance (NV) v diamantech. Často se jedná o defekty v atomárním měřítku, když si všiml neobvyklých vzorců v kvantových datech.

Periodické signály vypadaly jako experimentální artefakt, ale přetrvávaly i po rozsáhlém odstraňování problémů. Po návratu k učebnicím z 50. a 60. let 20. století o nukleární magnetické rezonanci Breitweiser identifikoval fyzikální mechanismus, který vysvětloval to, co viděli, ale který byl dříve odmítnutý jako experimentálně nevýznamný.

Bezkonkurenční přesnost

Pochopení tohoto efektu bylo dále rozvinuto díky spolupráci s výzkumníky na Technologické univerzitě v Delftu v Nizozemsku, kde Breitweiser strávil čas prováděním výzkumu souvisejících témat v rámci mezinárodního stipendia. Spojením odborných znalostí z experimentální fyziky, kvantového snímání a teoretického modelování vytvořil tým metodu schopnou zachytit jednotlivé atomové signály s mimořádnou přesností.

„Je to trochu jako izolovat jeden řádek v obrovské tabulce. Tradiční NQR vytváří něco jako průměr. Získáte představu o datech jako celku, ale nevíte nic o jednotlivých datových bodech. S touto metodou je to, jako bychom odhalili všechna data za průměrem, izolovali signál z jednoho jádra a odhalili jeho jedinečné vlastnosti,“ vysvětluje Mathieu Ouellet, čerstvý absolvent doktorského studia ESE a druhý spoluautor článku.

Dešifrování signálů

Stanovení teoretických základů neočekávaného experimentálního výsledku vyžadovalo značné úsilí. Ouellet musel pečlivě testovat různé hypotézy, spouštět simulace a provádět výpočty, aby porovnal data s potenciálními příčinami. „Je to trochu jako diagnostikovat pacienta na základě symptomů,“ vysvětluje. „Data ukazují na něco neobvyklého, ale často existuje více možných vysvětlení. Trvalo docela dlouho, než jsme dospěli ke správné diagnóze.“

Díky charakterizaci jevů, které byly dříve skryté, by nová metoda mohla vědcům pomoci lépe porozumět molekulárním mechanismům, které utvářejí náš svět.

Zdroj: Pennsylvánská univerzita, Fakulty inženýrství a aplikovaných věd, Technologická univerzita v Delftu