IBM利用磁共振對單個原子成像 未來用于量子計算機
2019-07-02 10:04:11 鳳凰網
不同的顯微技術，使科學家能夠看到細胞中的遺傳序列，原子力顯微鏡圖像的分辨率甚至能達到原子級別。但IBM阿爾馬登研究中心和首爾基礎科學研究院的科學家，已經將成像技術向前推進了一步，開發出一種全新磁共振成像技術，能夠提供物質前所未有的細節，甚至是樣品中單個原子的細節。
這一技術依賴于目前被廣泛應用在醫院中的M.R.I（磁共振成像）的基本物理原理。
當醫生需要為患者檢查體內是否有腫瘤、檢測腦功能或對關節成像時，他們需要用到龐大的M.R.I.設備——在人體周圍產生磁場。磁場會暫時破壞細胞中原子核內旋轉的質子的運動狀態，隨后發出的短暫的射頻能量脈沖使質子垂直于脈沖旋轉。之后，質子會恢復正常運動狀態，釋放能量——可以通過傳感器測量到并生成圖像。
IBM的物理學家克里斯托弗·魯茲（Christopher Lutz）表示，但是，為了收集足夠的診斷數據，醫院使用的M.R.I.設備必須掃描人體內數以十億計的質子。所以他和他的同事決定將M.R.I設備的威力，封裝在一種被稱作掃描式隧道顯微鏡的專用儀器的探針上，了解它是否可以對單個原子成像。
掃描式隧道顯微鏡的探針只有數個原子寬。它沿著樣品表面移動，可以獲取有關分子大小和構成的詳細信息。
研究人員將磁化的鐵原子連接到探針上，使掃描式隧道顯微鏡和M.R.I.技術合二為一。
當磁化的探針掃過鐵和鈦的金屬薄片時，它向樣品施加磁場，破壞原子內的電子（而非像傳統M.R.I.設備那樣破壞質子）運動狀態。然后研究人員迅速開啟和關閉射頻脈沖，這樣電子就能發出可以用來成像的能量。這一成果星期一發表在《自然·物理學》雜志上。
位于紐約的先進科學研究中心M.R.I.核心實驗室主任杜克·謝林（A. Duke Shereen）表示，“這是一種非常了不起的成像技術。醫學M.R.I.設備可以很好地描述樣品特征，但尺寸沒有這么小。”
這種原子級別的M.R.I.設備提供超高分辨率，這意味著它可以將相鄰原子彼此區分開來，并根據它們的磁相互作用揭示哪些類型的原子是可以成像的。
魯茲表示，“這是設備小型化的終極方式。”他希望有朝一日這一新技術可以用來為量子計算機設計原子級信息儲存系統。
目前的晶體管有數千個原子寬，可以在計算機中存儲一位信息。控制單個原子的能力可以極大地提高計算能力，使研究人員能夠處理復雜的計算，例如預報天氣或利用人工智能診斷疾病。
在化合物中將原子從一個位置移動到另一個位置，也可以生成新物質。
這一技術還可以幫助科學家研究蛋白質折疊過程，開發新藥物。
魯茲稱，“我們現在可以看到以前看不到的東西，因此，我們可以用這項新技術測試新想法。”
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