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IBM利用磁共振對單個原子成像 未來用于量子計算機

2019年7月2日 09:39  鳳凰科技  作 者:霜葉

隨著我們的設備尺寸越來越小,越來越復雜,用來制造它們的材料也越來越復雜。這意味著我們必須仔細地開發設計新材料。

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。

雖然并非是最漂亮的科學設備,這臺顯微鏡能夠利用磁共振技術對單個原子成像

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。

一個鈦原子的4張磁共振圖像,顯示了該原子不同強度的磁場

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!彼M谐蝗者@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?刂茊蝹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! 

編 輯:章芳
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