IBM利用MRI探索單個(gè)原子成像，未來(lái)用于量子計(jì)算機(jī)研制

隨著我們的設(shè)備尺寸越來(lái)越小，越來(lái)越復(fù)雜，用來(lái)制造它們的材料也越來(lái)越復(fù)雜。這意味著我們必須仔細(xì)地開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)新材料。不同的顯微技術(shù)，使科學(xué)家能夠看到細(xì)胞中的遺傳序列，原子力顯微鏡圖像的分辨率甚至能達(dá)到原子級(jí)別。但I(xiàn)BM阿爾馬登研究中心和首爾基礎(chǔ)科學(xué)研究院的科學(xué)家，已經(jīng)將成像技術(shù)向前推進(jìn)了一步，開(kāi)發(fā)出一種全新磁共振成像技術(shù)，能夠提供物質(zhì)前所未有的細(xì)節(jié)，甚至是樣品中單個(gè)原子的細(xì)節(jié)。

這一技術(shù)依賴于目前被廣泛應(yīng)用在醫(yī)院中的M.R.I(磁共振成像)的基本物理原理。

當(dāng)醫(yī)生需要為患者檢查體內(nèi)是否有腫瘤、檢測(cè)腦功能或?qū)﹃P(guān)節(jié)成像時(shí)，他們需要用到龐大的M.R.I.設(shè)備——在人體周圍產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)會(huì)暫時(shí)破壞細(xì)胞中原子核內(nèi)旋轉(zhuǎn)的質(zhì)子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，隨后發(fā)出的短暫的射頻能量脈沖使質(zhì)子垂直于脈沖旋轉(zhuǎn)。之后，質(zhì)子會(huì)恢復(fù)正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，釋放能量——可以通過(guò)傳感器測(cè)量到并生成圖像。

IBM的物理學(xué)家克里斯托弗·魯茲(Christopher Lutz)表示，但是，為了收集足夠的診斷數(shù)據(jù)，醫(yī)院使用的M.R.I.設(shè)備必須掃描人體內(nèi)數(shù)以十億計(jì)的質(zhì)子。所以他和他的同事決定將M.R.I設(shè)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(duì)單個(gè)原子成像。

掃描式隧道顯微鏡的探針只有數(shù)個(gè)原子寬。它沿著樣品表面移動(dòng)，可以獲取有關(guān)分子大小和構(gòu)成的詳細(xì)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(shù)合二為一。

當(dāng)磁化的探針掃過(guò)鐵和鈦的金屬薄片時(shí)，它向樣品施加磁場(chǎng)，破壞原子內(nèi)的電子(而非像傳統(tǒng)M.R.I.設(shè)備那樣破壞質(zhì)子)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。然后研究人員迅速開(kāi)啟和關(guān)閉射頻脈沖，這樣電子就能發(fā)出可以用來(lái)成像的能量。這一成果星期一發(fā)表在《自然·物理學(xué)》雜志上。

位于紐約的先進(jìn)科學(xué)研究中心M.R.I.核心實(shí)驗(yàn)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(shù)。醫(yī)學(xué)M.R.I.設(shè)備可以很好地描述樣品特征，但尺寸沒(méi)有這么小。”

這種原子級(jí)別的M.R.I.設(shè)備提供超高分辨率，這意味著它可以將相鄰原子彼此區(qū)分開(kāi)來(lái)，并根據(jù)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(shè)備小型化的終極方式。”他希望有朝一日這一新技術(shù)可以用來(lái)為量子計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)原子級(jí)信息儲(chǔ)存系統(tǒng)。

目前的晶體管有數(shù)千個(gè)原子寬，可以在計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)一位信息?？刂茊蝹€(gè)原子的能力可以極大地提高計(jì)算能力，使研究人員能夠處理復(fù)雜的計(jì)算，例如預(yù)報(bào)天氣或利用人工智能診斷疾病。

在化合物中將原子從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置，也可以生成新物質(zhì)。

這一技術(shù)還可以幫助科學(xué)家研究蛋白質(zhì)折疊過(guò)程，開(kāi)發(fā)新藥物。

魯茲稱，“我們現(xiàn)在可以看到以前看不到的東西，因此，我們可以用這項(xiàng)新技術(shù)測(cè)試新想法。”