Новое исследование в области квантовой нанонауки, проведенное исследователем из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики, позволяет в целом взглянуть на то, как ученые изучают материалы в мельчайших масштабах.

В статье, опубликованной в журнале Science Advances, рассматриваются ведущие работы в области подповерхностной нанометрологии, науки о внутренних измерениях на наноуровне, и предполагается, что квантовое зондирование может стать основой для следующей эры открытий в этой области.

Потенциальные области применения могут варьироваться от картирования внутриклеточных структур для адресной доставки лекарств до характеристики квантовых материалов и наноструктур для продвижения квантовых вычислений.

«Нашей целью было определить современное состояние и рассмотреть, что было сделано и куда нам нужно двигаться», — сказал Али Пассиан, старший научный сотрудник ORNL и старший автор исследования.

«Все хотят знать, что находится под поверхностью материалов, но выяснить, что там на самом деле, как правило, невероятно сложно в любом масштабе. Мы надеемся вдохновить новое поколение ученых на решение этой задачи, используя квантовые явления или любые другие наиболее многообещающие возможности, которые могут быть, чтобы мы могли раздвинуть границы науки о сенсорике и визуализации в направлении больших открытий и понимания».

Наноразмерные частицы действуют как строительные блоки квантовой науки — они достаточно малы, чтобы позволить ученым настраивать основные свойства материалов с максимальной точностью.

Один нанометр равен миллиардной доле метра, миллионной доле миллиметра и тысячной доле микрометра. Средний лист бумаги, например, имеет толщину около 100 000 нанометров.

Пассиан и соавтор Амир Пайам из Ольстерского университета предполагают, что на наноуровне могут не только формироваться сложные молекулярные сборки биологических систем, таких как клеточные мембраны, но и совпадать размеры новых материалов, таких как метаповерхности и квантовые материалы. Пока что это недостаточно изученная возможность, заключают они.

Такие передовые инструменты, как сканирующий зондовый микроскоп, который использует зонд с острым концом для проверки образцов на атомном уровне, помогли ускорить прогресс в нанометрологии поверхностей. Авторы отмечают, что в исследованиях под поверхностью было достигнуто меньше сопоставимых прорывов.

«Все наши органы чувств ориентированы на поверхности», — сказал Пассиан.

«Хотя это все еще сложно, мы расширили наши возможности до наномасштабов, каким-то образом воздействуя на материал с помощью света, звука, электронов и крошечных игл. Но когда-то там измерение того, что находится под ним, остается чрезвычайно сложным».

«Нам нужны новые методы, которые позволят нам заглянуть внутрь этих материалов, оставив их нетронутыми. Квантовая наука может предложить здесь возможности, в частности квантовое зондирование, где, например, можно извлечь выгоду из квантовых состояний зонда, света и образца».

Авторы предполагают, что методы квантового зондирования, находящиеся сейчас на ранних стадиях разработки, могут стать ключом к успехам в исследовании недр. Например, квантовые зонды могли бы использовать скирмионы — субатомные квазичастицы, созданные в результате сбоев в магнитных полях и уже рассматриваемые для других квантовых применений — для зондирования глубже, чем позволяет любая современная техника.

«Люди усердно работают над тем, чтобы раздвинуть границы обнаружения и создать новые методы измерения», — сказал Пассиан.

«Я думаю, что следующие несколько лет будут захватывающими с точки зрения материализации и удобного для пользователя внедрения этих методов для достижения квантовой нанометрологии поверхностей и подповерхностных областей».