Μηχανικοί δημιούργησαν μία νέα κατηγορία κβαντικών αισθητήρων για την ανίχνευση αμυδρών μοριακών δονήσεων

Μια ομάδα μηχανικών του Johns Hopkins ανέπτυξε μια νέα, ισχυρότερη μέθοδο για την παρατήρηση των μοριακών δονήσεων, μια πρόοδο που θα μπορούσε να έχει εκτεταμένες επιπτώσεις στην έγκαιρη ανίχνευση ασθενειών.

Η πρώτη επίδειξη νέων κβαντικών καταστάσεων

Η ομάδα, με επικεφαλής τον Ishan Barman, καθηγητή στο Τμήμα Μηχανολογίας, ήταν η πρώτη που έδειξε πώς το φως μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να σχηματίσει ειδικές υβριδικές καταστάσεις με μόρια – επιτρέποντας ακόμα και τις πιο μικροσκοπικές δονήσεις να ανιχνευθούν με μεγαλύτερη σαφήνεια και ακρίβεια.

Τα ευρήματα της ομάδας δημοσιεύτηκαν στο περιοδικό Science Advances.

Επιπτώσεις στην υγεία και άλλες εφαρμογές

Στην υγεία, αυτή η νέα μέθοδος ανίχνευσης μορίων θα μπορούσε να μεταφραστεί σε πιο έγκαιρη και ακριβή ανίχνευση βιοδεικτών ασθενειών που βρίσκονται στο αίμα, στο σάλιο ή στα ούρα. Αλλά θα μπορούσε να έχει και άλλες εφαρμογές: στη φαρμακευτική παραγωγή, να επιτρέψει την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο πολύπλοκων χημικών αντιδράσεων για να διασφαλιστεί η συνέπεια και η ασφάλεια των προϊόντων· και στην περιβαλλοντική επιστήμη, να επιτρέψει την ανίχνευση ρύπων ή επικίνδυνων ενώσεων σε ίχνη με πρωτοφανή αξιοπιστία.

Οι μοριακές δονήσεις ως χημικά «δακτυλικά αποτυπώματα»

Οι μοριακές δονήσεις — οι μικροσκοπικές, μοναδικές κινήσεις των ατόμων μέσα σε ένα μόριο — προσφέρουν χημικά «δακτυλικά αποτυπώματα» που μπορούν να αποκαλύψουν την παρουσία ασθενειών που κυμαίνονται από λοιμώξεις και μεταβολικές διαταραχές έως καρκίνο.

Οι επιστήμονες χρησιμοποιούν συνήθως τεχνικές όπως η υπέρυθρη και η φασματοσκοπία Raman για να ανιχνεύσουν αυτές τις δονήσεις, αλλά οι μέθοδοι αυτές έχουν θεμελιώδεις περιορισμούς: τα σήματα στα οποία βασίζονται είναι συχνά αμυδρά, εύκολα «πνίγονται» από θόρυβο φόντου και δύσκολα απομονώνονται σε σύνθετα βιολογικά περιβάλλοντα όπως το αίμα ή οι ιστοί.

Η πρόκληση της ανίχνευσης μορίων

«Προσπαθούσαμε να ξεπεράσουμε μια μακροχρόνια πρόκληση στην ανίχνευση μορίων: πώς να κάνουμε την οπτική ανίχνευση των μορίων πιο ευαίσθητη, πιο ανθεκτική και πιο προσαρμόσιμη σε πραγματικές συνθήκες;» είπε ο Barman, ο οποίος έχει διπλή ιδιότητα στο Sidney Kimmel Comprehensive Cancer Center και στο Τμήμα Ακτινολογίας και Επιστήμης Απεικόνισης στο Johns Hopkins School of Medicine.

«Αντί να προσπαθήσουμε να βελτιώσουμε σταδιακά τις συμβατικές μεθόδους, θέσαμε ένα πιο ριζοσπαστικό ερώτημα: Τι θα γινόταν αν μπορούσαμε να επανασχεδιάσουμε τον ίδιο τον τρόπο που το φως αλληλεπιδρά με την ύλη ώστε να δημιουργήσουμε μια θεμελιωδώς νέα μορφή ανίχνευσης;»

Η δημιουργία vibro-polaritons

Η ομάδα χρησιμοποίησε εξαιρετικά ανακλαστικούς χρυσούς καθρέφτες για να σχηματίσει μια οπτική κοιλότητα, η οποία παγιδεύει το φως και το «αναπηδά» μπρος-πίσω, ενισχύοντας σε μεγάλο βαθμό την αλληλεπίδρασή του με τα εγκλεισμένα μόρια. Το περιορισμένο πεδίο φωτός και οι μοριακές δονήσεις γίνονται τόσο αλληλένδετα ώστε σχηματίζουν εντελώς νέες κβαντικές καταστάσεις που ονομάζονται «vibro-polaritons».

Η ομάδα κατάφερε να επιτύχει αυτό το κατόρθωμα σε συνθήκες περιβάλλοντος, στον πραγματικό κόσμο, χωρίς την ανάγκη για υψηλό κενό, κρυογενικές ή άλλες ακραίες συνθήκες, οι οποίες συνήθως απαιτούνται για να διατηρηθούν εύθραυστες κβαντικές καταστάσεις. Ο κύριος συγγραφέας Peng Zheng, αναπληρωτής ερευνητής στο τμήμα μηχανολογίας του Johns Hopkins, δήλωσε ότι αυτή η μελέτη περιγράφει λεπτομερώς πώς να μετατραπεί η «quantum vibro-polaritonic sensing» από μια εννοιολογική ιδέα σε μια λειτουργική πλατφόρμα — και ότι αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει σε μια νέα κατηγορία κβαντικών οπτικών αισθητήρων.

Από την ιδέα στην πραγματική εφαρμογή

«Αντί να ανιχνεύουμε παθητικά μόρια, μπορούμε πλέον να σχεδιάσουμε το κβαντικό περιβάλλον γύρω τους για να ενισχύσουμε επιλεκτικά τα οπτικά τους δακτυλικά αποτυπώματα αξιοποιώντας τις κβαντικές vibro-polaritonic καταστάσεις», είπε ο Zheng.

Χρησιμοποιώντας τις κβαντικές αρχές με έναν νέο τρόπο, χωρίς την ανάγκη παραδοσιακών υποδομών, αυτή η μελέτη αποτελεί σημαντικό ορόσημο στην πρόοδο του αναδυόμενου τομέα των κβαντικών τεχνολογιών σε συνθήκες περιβάλλοντος. Τελικά, ο Barman οραματίζεται συμπαγείς συσκευές σε κλίμακα μικροτσίπ που θα μπορούσαν να φέρουν αυτές τις κβαντικές τεχνολογίες σε φορητά, εργαλεία για άμεση διάγνωση και μεθόδους βασισμένες στην τεχνητή νοημοσύνη.

Το μέλλον της κβαντικής ανίχνευσης

«Το μέλλον της κβαντικής ανίχνευσης δεν είναι κολλημένο στο εργαστήριο — είναι έτοιμο να έχει πραγματικό αντίκτυπο στην ιατρική, στη βιομηχανική παραγωγή και πέρα από αυτά», είπε ο Barman.