最近的一项研究发现，一种利用量子科学的新成像技术可能会带来新的药物疗法和治疗选择。滑铁卢大学的研究人员证明了核磁共振衍射(NMRd)在原子尺度上研究结晶固体晶格结构的可行性。这项研究代表了在建立原子级核磁共振作为研究材料结构的工具方面取得了实质性进展。

该研究的主要作者之一、滑铁卢量子计算研究所(IQC)的Holger Haas博士说：“NMRd于1973年被提出可作为一种研究材料结构的方法。当时，作者认为他们的想法荒谬可笑。我们的工作非常接近于实现他们的这个疯狂想法。我们已经证明，在与许多生物和物理系统相关的样本体积上研究原子级尺度的结构是可能的。”

Haas博士补充道：“NMRd在许多研究方向上开辟了各种各样的能力，这其中包括对纳米晶体和有机化合物的研究。在原子尺度上对蛋白质分子和病毒颗粒等生物结构进行成像的能力可以促进对它们背后机理的理解，并可能导致发现新的药物疗法和治疗选择。”

NMRd的工作原理是利用原子核中的“自旋”特性，自旋是磁性的基本单位。当放置在磁场中时，由于这种自旋，原子核可以看做是一个磁体。时变磁场可以扰乱自旋，改变自旋的角度——从技术上讲，这被称为在每个自旋中编码一个相位。在特定的编码时间，所有自旋都将指向初始方向。发生这种情况时，会观察到衍射回波，我们可以测量该信号以找出样品的晶格常数和形状。每个原子核都会产生一个独特的信号，可以用来辨别分子的结构。

实现原子尺度核磁共振的挑战是难以在原子尺度上编码相邻核自旋之间的较大相对相位差，这意味着无法观察到衍射回波。研究人员通过使用量子控制技术和产生大的、与时间相关的磁场梯度克服了这一限制。有了这个，他们就可以编码和检测两百万个自旋集合中的原子尺度调节，并以亚原子精度测量样品中自旋集合的位移。

该研究的共同负责人、IQC和滑铁卢大学物理与天文学系的博士生Sahand Tabataei补充说：“现在我们已经接近能够在原子级尺度的晶格上进行NMRd，我们现在也可以真正开始在原子级尺度上研究更基础的量子物理学，如量子输运现象和量子多体物理学，这些研究是以前从未在这种尺寸的样本上做过的。”（编译:Qtech）