Nečekaný objev převratné varianty NQR při experimentech

Tato nově objevená metoda je založená na kvantové fyzice. Podle vědců je natolik přesná, že umí detekovat signály z jediného atomu. Jde o fyzikální výkon, který vědci dosud považovali za nemožný.

Inženýři z Pennsylvánské univerzity využili k realizaci nukleární kvadrupolární rezonanční spektroskopie (NQR) kvantové senzory. NQR se tradičně používá k detekci drog a výbušnin. Ale také k analýze léčiv.

Zaměřením na jediné jádro dokážou vědci odhalit podrobnosti o molekulární struktuře a dynamice. Veličiny, které byly dříve skryté.

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.

Tato technika umožňuje studovat stavební kameny přírodního světa ve zcela novém měřítku. Dílčí atomové poznatky Vědci používají radiové vlny už od roku 1950. Pomáhají například při skenování lidského těla při magnetické rezonanci. Nebo při detekci výbušnin na letištích.

Tyto metody však spoléhají na signály zprůměrované z bilionů atomů, což znemožňuje detekovat drobné odchylky mezi jednotlivými molekulami, říká Lee Bassett, docent v oboru elektrotechniky a systémového inženýrství (ESE). Tyto metody ale vyžadují signály zprůměrované z bilionů atomů, což znemožňuje detekovat drobné odchylky mezi jednotlivými molekulami. Taková omezení brání aplikacím ve výzkumu 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, které byly považovány za identické molekuly,“ říká Lee Bassett.

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 všímám neobvyklých vzorců v kvantových datech. Periodické signály vypadaly jako experimentální artefakt, ale přetrvávaly i po rozsáhlém odstraňování problémů.

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 to vysvětloval, co viděl, ale který byl dříve odmítnut jako experimentálně neznámý.

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. Spojení experimentální fyziky, kvantového snímání a teoretického modelování, vytvořila metodu, která je zachycena jednotlivé signály atomů mimořádnou přesností.

„Je to trochu jako izolovat jeden řádek v obrovské tabulce. Tradiční NQR vytváří něco jako průměr. Získáte představu o datech jako celek, 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 experimentu výsledku vyžadovalo značné úsilí. Ouellet musel pečlivě testovat různé hypotézy, spouštět simulaci 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