隨著精密測量技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的機電儀表,已從光學儀表過渡到量子儀表,傳感技術(shù)進入量子化時代。近年來,量子傳感技術(shù)作為一種新興的探測手段,已經(jīng)被證實在高精度測量、量子計算等發(fā)面具有很大的應用潛力。
近日,中國科學技術(shù)大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室的杜江峰院士、石發(fā)展教授、孔飛特任研究員等人在量子精密測量領(lǐng)域取得了重要進展。
他們利用單個納米金剛石內(nèi)部的氮-空位色心(Nitrogen-Vacancy center, NV center)進行量子傳感,成功克服了顆粒隨機轉(zhuǎn)動問題,實現(xiàn)在原位條件下探測到溶液中順磁離子的磁共振譜。該項研究成果以“In situ electron paramagnetic resonance spectroscopy using single nanodiamond sensors”為題,發(fā)表在《Nature Communications》上,引發(fā)了學界和公眾的廣泛關(guān)注。
要了解這項技術(shù)的創(chuàng)新性,首先我們要了解什么是量子傳感技術(shù)。
量子傳感技術(shù)是基于量子態(tài)的精細測量。這種技術(shù)是利用量子態(tài)的特殊性質(zhì)來提高精度,實現(xiàn)高靈敏度探測。
量子傳感技術(shù)可以被應用在多個領(lǐng)域,比如磁場探測、重力測量、慣性導航、加速度計、波浪和溫度等環(huán)境參數(shù)的測量等。
在量子傳感技術(shù)中,NV色心的載體是納米金剛石,納米金剛石具有優(yōu)異的物理化學性質(zhì),如高熱導率、低熱膨脹系數(shù)、高化學穩(wěn)定性及優(yōu)異的生物兼容性,因此近年來有不少研究將含有NV色心的熒光納米金剛石用作細胞內(nèi)的長壽命熒光標記。由于其靈敏度高、生物兼容性好,有望利用納米金剛石中的NV色心,實現(xiàn)細胞內(nèi)的原位磁共振探測。因此,納米金剛石在量子傳感領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。
在原位條件下探測溶液中順磁離子的磁共振譜,這項技術(shù)的難度非常大。因為順磁離子的磁共振譜會受到很多因素的影響,而中國科學技術(shù)大學的這個研究團隊,通過巧妙的實驗設(shè)計和精湛的實驗技巧,利用了納米金剛石獨特的量子特性,成功克服了這些困難,實現(xiàn)了在原位條件下對順磁離子磁共振譜的*測量。
這項技術(shù)的成功實現(xiàn),為科學研究提供了新的工具和方法,這項研究成果今后有可能用于推斷氧釩離子所處的局域環(huán)境。未來通過改善微波輻射結(jié)構(gòu)效率、提升納米金剛石性質(zhì)等方法,將能進一步提升測量速度,并將這一方法推向?qū)嶋H應用。
這項研究成果也為實際應用提供了新的可能性。例如,在生物醫(yī)學領(lǐng)域,可以利用這項技術(shù)來研究生物分子的結(jié)構(gòu)和功能,為疾病診斷和治療提供新的思路和方法。此外,在環(huán)境監(jiān)測、能源等領(lǐng)域,這項技術(shù)也有著廣泛的應用前景。
中國科學技術(shù)大學的這項研究成果,不僅是對量子精密測量領(lǐng)域的一次重大突破,也是對納米科技和生物醫(yī)學領(lǐng)域的一次重要貢獻。它標志著中國在量子傳感技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)邁上了一個新臺階,展現(xiàn)了中國科學家在前沿科學研究領(lǐng)域的深厚實力和創(chuàng)新能力。
未來,我們期待看到更多的科研機構(gòu)和企業(yè)投入到量子精密測量領(lǐng)域的研究和應用中來,推動量子科技的快速發(fā)展和廣泛應用。
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