IBM利用磁共振对单个原子成像,未来用于量子计算机

小帅帅 15381 0

北京时间7月2日消息,随着我们的设备尺寸越来越小,越来越复杂,用来制造它们的材料也越来越复杂。这意味着我们必须仔细地开发设计新材料。

▲虽然并非是最漂亮的科学设备,这台显微镜能够利用磁共振技术对单个原子成像

不同的显微技术,使科学家能够看到细胞中的遗传序列,原子力显微镜图像的分辨率甚至能达到原子级别。但IBM阿尔马登研究中心和首尔基础科学研究院的科学家,已经将成像技术向前推进了一步,开发出一种全新磁共振成像技术,能够提供物质前所未有的细节,甚至是样品中单个原子的细节。

这一技术依赖于目前被广泛应用在医院中的M.R.I(磁共振成像)的基本物理原理。

当医生需要为患者检查体内是否有肿瘤、检测脑功能或对关节成像时,他们需要用到庞大的M.R.I.设备——在人体周围产生磁场。磁场会暂时破坏细胞中原子核内旋转的质子的运动状态,随后发出的短暂的射频能量脉冲使质子垂直于脉冲旋转。之后,质子会恢复正常运动状态,释放能量——可以通过传感器测量到并生成图像。

IBM的物理学家克里斯托弗·鲁兹(Christopher Lutz)表示,但是,为了收集足够的诊断数据,医院使用的M.R.I.设备必须扫描人体内数以十亿计的质子。所以他和他的同事决定将M.R.I设备的威力,封装在一种被称作扫描式隧道显微镜的专用仪器的探针上,了解它是否可以对单个原子成像。

▲一个钛原子的4张磁共振图像,显示了该原子不同强度的磁场

扫描式隧道显微镜的探针只有数个原子宽。它沿着样品表面移动,可以获取有关分子大小和构成的详细信息。

研究人员将磁化的铁原子连接到探针上,使扫描式隧道显微镜和M.R.I.技术合二为一。

当磁化的探针扫过铁和钛的金属薄片时,它向样品施加磁场,破坏原子内的电子(而非像传统M.R.I.设备那样破坏质子)运动状态。然后研究人员迅速开启和关闭射频脉冲,这样电子就能发出可以用来成像的能量。这一成果星期一发表在《自然·物理学》杂志上。

位于纽约的先进科学研究中心M.R.I.核心实验室主任杜克·谢林(A. Duke Shereen)表示,“这是一种非常了不起的成像技术。医学M.R.I.设备可以很好地描述样品特征,但尺寸没有这么小。”

这种原子级别的M.R.I.设备提供超高分辨率,这意味着它可以将相邻原子彼此区分开来,并根据它们的磁相互作用揭示哪些类型的原子是可以成像的。

鲁兹表示,“这是设备小型化的终极方式。”他希望有朝一日这一新技术可以用来为量子计算机设计原子级信息储存系统。

目前的晶体管有数千个原子宽,可以在计算机中存储一位信息。控制单个原子的能力可以极大地提高计算能力,使研究人员能够处理复杂的计算,例如预报天气或利用人工智能诊断疾病。

在化合物中将原子从一个位置移动到另一个位置,也可以生成新物质。

这一技术还可以帮助科学家研究蛋白质折叠过程,开发新药物。

鲁兹称,“我们现在可以看到以前看不到的东西,因此,我们可以用这项新技术测试新想法。”

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