Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета (Penn Engineering) совершили прорыв в области молекулярной спектроскопии, разработав метод, позволяющий обнаруживать сигналы от отдельных атомов.

С 1950-х годов учёные использовали радиоволны для выявления молекулярных «отпечатков» неизвестных материалов, что находило применение в различных областях — от МРТ-сканирования человеческого тела до обнаружения взрывчатых веществ в аэропортах. Однако традиционные методы основывались на усреднённых сигналах от триллионов атомов, что делало невозможным обнаружение мельчайших различий между отдельными молекулами.

Новый метод представляет собой вариацию ядерной квадрупольной резонансной спектроскопии с использованием квантовых сенсоров.

«Эта технология позволяет нам изолировать отдельные ядра и выявлять мельчайшие различия в молекулах, которые считались идентичными», — поясняет Ли Бассетт, доцент кафедры электротехники и системной инженерии, директор Квантовой инженерной лаборатории Пенна и ведущий автор исследования.

Иллюстрация  различий в нуклеиновых кислотах, обнаруживаемых с помощью формы ядерного квадрупольного резонанса, описанной в работе. Источник: Mathieu Ouellet

Открытие произошло случайно во время рутинных экспериментов. Алекс Брейтвейзер, недавний выпускник докторантуры по физике и соавтор исследования, работая с азотно-вакансионными центрами в алмазах, заметил необычные закономерности в данных. «Мы поняли, что наблюдаем не просто аномалию, а прорываемся в новый режим физики, доступный благодаря этой технологии», — отмечает Брейтвейзер, ныне работающий в IBM.

Исследование было развито благодаря сотрудничеству с учёными из Делфтского технологического университета в Нидерландах. Объединив опыт в экспериментальной физике, квантовых измерениях и теоретическом моделировании, команда создала метод, способный фиксировать сигналы от отдельных атомов с беспрецедентной точностью.

Определение теоретических основ неожиданного экспериментального результата потребовало значительных усилий. «Это похоже на диагностику пациента по симптомам, — объясняет один из исследователей. — Данные указывают на что-то необычное, но часто существует несколько возможных объяснений. Потребовалось немало времени, чтобы прийти к правильному "диагнозу"».

Исследователи видят огромный потенциал своего метода для решения актуальных научных задач. Характеризуя ранее скрытые явления, новый метод может помочь лучше понять молекулярные механизмы, что особенно важно для таких областей, как разработка лекарств, где понимание молекулярных взаимодействий на атомном уровне имеет ключевое значение.

Подробнее на iXBT