Desde la década de 1950, los científicos han utilizado ondas de radio para descubrir “huellas dactilares” moleculares de sustancias desconocidas, ayudando a las máquinas de resonancia magnética a escanear el cuerpo humano y detectar explosivos en los aeropuertos.
Estos métodos, sin embargo, se basan en el promedio de señales de billones de átomos, lo que hace imposible detectar pequeños cambios en moléculas individuales. Tales limitaciones impiden aplicaciones en áreas como la investigación de proteínas, donde el control del tamaño puede determinar pequeñas diferencias en la función y diferencias entre salud y enfermedad.
Conocimiento subatómico
Ahora, ingenieros de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania (Penn Engineering) han utilizado sensores cuánticos para lograr un gran avance en la espectroscopia de resonancia cuadrupolar nuclear (NQR), una técnica utilizada tradicionalmente para detectar drogas y explosivos o analizar productos farmacéuticos.
esto se describe nano letraEl 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 fundamental comprender las interacciones moleculares a nivel atómico.
“Esta técnica nos permite aislar núcleos individuales y revelar pequeñas diferencias entre moléculas idénticas”, dijo Lee Bassett, profesor asociado de ingeniería eléctrica y de sistemas (ESE) y director del Laboratorio de Ingeniería Cuántica (QEL) de Penn y autor principal del artículo. Autor mayor. “Al centrarnos en un núcleo, podemos descubrir detalles sobre la estructura y la dinámica molecular que antes estaban ocultos. Esta capacidad nos permite estudiar los componentes básicos del mundo natural a una escala completamente nueva”.
Un descubrimiento inesperado
El descubrimiento surgió a partir de una observación inesperada durante una prueba de rutina. Alex Breitweiser, recién graduado de doctorado en física de la Escuela de Artes y Ciencias de Penn y coprimer autor del artículo, que ahora es investigador en IBM, estaba trabajando con centros de vacantes de nitrógeno (NV) en diamantes: defectos a escala atómica. a menudo se utiliza para la detección cuántica. Se utiliza en – cuando notó patrones inusuales en los datos.
Las señales periódicas aparecen como un artefacto experimental, pero persisten después de una extensa resolución 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 estaban viendo, pero que anteriormente había sido descartado como experimentalmente trivial.
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”, dijo Breitweiser. “Estábamos entrando en un nuevo régimen de la física al que podíamos acceder con esta tecnología”.
Precisión sin precedentes
La comprensión del efecto se desarrolló aún más mediante la colaboración con investigadores de la Universidad Tecnológica de Delft en los Países Bajos, donde Breitweiser pasó un tiempo realizando investigaciones sobre temas relacionados como parte de una beca internacional. Combinando experiencia en física experimental, detección cuántica y modelización teórica, el equipo desarrolló un método capaz de capturar señales de un solo átomo con una precisión extraordinaria.
“Es como aislar una sola fila en una hoja de cálculo gigante”, explica Matthew Ouellette, reciente doctorado de ESE y otro coautor del artículo. “El NQR tradicional crea algo así como un promedio: se tiene una idea de los datos en su conjunto, pero no se sabe nada sobre los puntos de datos individuales. Con este enfoque, parece que hemos descubierto todos los datos detrás del promedio, revelando el señal de un núcleo y sus propiedades únicas “.
decodificación de señal
Se hicieron esfuerzos considerables para determinar la base teórica de resultados experimentales inesperados. Ouellette tuvo que examinar cuidadosamente varias suposiciones, realizar simulaciones y cálculos para relacionar los datos con las posibles causas. “Es como diagnosticar a un paciente basándose en los síntomas”, explica. “Los datos apuntan a algo inusual, pero a menudo hay más de una explicación posible. Llevó bastante tiempo llegar al diagnóstico correcto”.
De cara al futuro, los investigadores ven un enorme potencial en su enfoque para afrontar los urgentes desafíos científicos. Al identificar fenómenos previamente ocultos, nuevos métodos pueden ayudar a los científicos a comprender mejor los procesos moleculares que dan forma a nuestro mundo.
Esta investigación se realizó en la Escuela 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. Las becas de Ouellet e IBM se otorgan a través de Ph.D. Beca otorgada a Breitweiser.
Otros coautores incluyen a Tzu-Yung Huang, estudiante de doctorado en ESE en Penn Engineering, ahora en Nokia Bell Labs, y Tim H. Taminiau de la Universidad Tecnológica de Delft.