Desde la década de 1950, los científicos han utilizado ondas de radio para descubrir “huellas dactilares” moleculares de materiales desconocidos, lo que les permite hacer cosas como escanear el cuerpo humano con máquinas de resonancia magnética y detectar explosivos en los aeropuertos.
Sin embargo, estos métodos se basan en el promedio de señales de billones de átomos, lo que hace imposible detectar pequeñas variaciones entre moléculas individuales. Estas limitaciones dificultan las aplicaciones en campos como la investigación de proteínas, donde pequeñas diferencias en la funcionalidad que controla la forma pueden determinar la diferencia entre salud y enfermedad.
Perspectivas subatómicas
Ahora, ingenieros de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania (Penn Engineering) han utilizado un sensor cuántico para detectar un cambio significativo en la espectroscopia de resonancia cuadrupolar nuclear (NQR), una técnica que tradicionalmente se utiliza para detectar drogas y explosivos.
se describe en NanolitrosEl nuevo método es tan preciso que puede detectar señales NQR de átomos individuales, una hazaña que antes se consideraba inalcanzable. Esta sensibilidad sin precedentes abre la puerta a avances en áreas como el desarrollo de fármacos, donde es importante comprender las interacciones moleculares a nivel atómico.
“Esta técnica nos permite aislar núcleos individuales y revelar pequeñas diferencias en lo que creemos que son moléculas idénticas”, dice Lee Bassett, profesor asociado de ingeniería eléctrica y de sistemas (ESE) en Penn, director y artículos del Laboratorio de Ingeniería Cuántica (QEL). . Autor mayor. “Al centrarnos en un solo núcleo, podemos descubrir detalles sobre la estructura molecular y la dinámica que antes estaban ocultos. Esta capacidad nos permite estudiar los componentes básicos del mundo natural a una escala completamente nueva”.
Un descubrimiento inesperado
Este descubrimiento provino de una observación inesperada durante experimentos de rutina. Alex Brettweiser, recién graduado de doctorado en física de la Escuela de Artes y Ciencias de Penn y coprimer autor del artículo, ahora investigador de IBM, estaba trabajando con centros de vacantes de nitrógeno (NV) en diamantes: defectos a escala atómica. A menudo se utiliza en detección cuántica, cuando detecta patrones inusuales en los datos.
Las señales intermitentes parecían un artefacto experimental, pero persistieron después de una extensa solución de problemas. Volviendo a los libros de texto de las décadas de 1950 y 1960 sobre resonancia magnética nuclear, Breitweiser identificó un mecanismo físico que explicaba lo que estaba viendo, pero que antes lo había descartado por considerarlo experimentalmente insignificante.
Los avances tecnológicos permitieron al equipo detectar y medir efectos que antes estaban fuera del alcance de los instrumentos científicos. “Nos dimos cuenta de que no estábamos viendo simplemente una anomalía”, dice Brietweiser. “Estábamos incursionando en un nuevo sistema de física al que podíamos acceder con esta tecnología”.
Precisión incomparable
La comprensión del efecto se desarrolló aún más gracias a la colaboración con investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft (Países Bajos), donde Brett Weiser dedicó tiempo a investigar temas relacionados como parte de una beca internacional. Combinando experiencia en física experimental, detección cuántica y modelización teórica, el equipo creó un método capaz de capturar señales de un solo átomo con una precisión extraordinaria.
“Es como aislar una fila en una enorme hoja de cálculo”, explica Mathieu Ouellet, reciente doctorado de la ESE y otro coautor del artículo. “El NQR tradicional produce algo así como un promedio: tienes una idea de los datos en su conjunto, pero no sabes nada sobre los puntos de datos individuales. De esta manera, parece que hemos capturado todos los datos detrás del datos promedio, que revelan la señal de un núcleo y sus propiedades únicas”.
Comprender las señales
Se dedicó un esfuerzo significativo a determinar la base teórica de resultados experimentales inesperados. Ouellet tuvo que probar cuidadosamente diferentes hipótesis, ejecutar simulaciones y realizar cálculos para relacionar los datos con las posibles causas. “Es un poco como diagnosticar a un paciente basándose en los síntomas”, explica. “Los datos apuntan a algo inusual, pero a menudo hay múltiples explicaciones posibles. Llevó mucho tiempo llegar a un diagnóstico preciso”.
De cara al futuro, los investigadores ven un gran potencial en su método para abordar los desafíos científicos. Al caracterizar fenómenos que antes estaban ocultos, el nuevo método podría ayudar a los científicos a comprender mejor los mecanismos moleculares que dan forma a nuestro mundo.
Este estudio se realizó en la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania y contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias (ECCS-1842655, DMR-2019444). El apoyo adicional provino del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Naturales de Canadá a través de un doctorado. Ouellet recibió una beca y de IBM, a través de un doctorado. Breitweiser recibió la beca.
Otros coautores incluyen a Tzu-Yung Huang, ex estudiante de doctorado en Penn Engineering en ESE, ahora en Nokia Bell Labs, y Tim H. Taminiau en la Universidad Tecnológica de Delft.
