約翰霍普金斯大學研發可攜式量子傳感器以檢測化學與生物威脅

約翰霍普金斯應用物理實驗室（APL）的科學家正在開發一種量子感測平台，該平台最終可以讓軍事工作人員使用小型設備檢測化學和生物威脅。這個系統旨在將核磁共振（NMR）光譜的廣泛檢測能力與更小型感測器的便攜性結合在一起。APL 的研究人員設想一種大小相當於筆記本電腦的可現場使用設備，可以分析極小的潛在危險物質樣本。

NMR 光譜利用磁場來操控原子核的自旋。產生的信號包含有關分子結構的資訊，使研究人員能夠區分不同的物質。這種技術已在實驗室中廣泛使用，但傳統的 NMR 系統在現場使用上相當困難，通常需要強大的超導磁鐵、低溫冷卻設備以及相對較大的樣本體積。APL 的實驗物理學家以賽亞·格雷（Isaiah Gray）及其團隊正在追求一種不同的方法，該方法基於鑽石中的氮-空位（NV）中心。

NV 中心技術的潛力

當氮原子取代鑽石中的碳原子，且相鄰的碳原子缺失時，就會形成一個 NV 中心。這創造了一個對周圍磁場作出反應的量子系統。在綠色鐳射光照射下，NV 中心會發出紅光。通過測量這種光，研究人員可以確定 NV 中心的自旋狀態，並用此推斷附近分子結構的資訊。這種方法可能只需數十或數百個原子的樣本，顯著減少了與傳統 NMR 相比所需的材料量。

這一概念雖然充滿潛力，但靈敏度仍然是主要障礙。鑽石表面的核自旋需要保持可測量的時間足夠長，以產生有用信號。格雷的團隊提出通過在微小結構中物理約束這些自旋，這些結構被研究人員描述為“納米容器”，直接製作在鑽石表面上。計算機模擬顯示，團隊研究的其中一種幾何形狀可以將 NMR 的靈敏度和準確性提高約一個數量級。研究人員目前正在製造納米容器結構，並測試他們是否能夠在實驗中實現預期的改進。

該團隊已經構建了一個有效的概念驗證裝置，通過讀取 NV 中心的自旋狀態來測量磁場。下一個挑戰是實現足夠的解析度，以識別極小液體樣本中的化學物質。

可現場使用的應用前景

最終可現場使用的版本可能會為人員提供一種便攜的方式來評估未知物質，而無需將樣本運送到實驗室。APL 表示，目標不一定是複製實驗室化學的精確性。相反，該感測器可以幫助解答現場的實際問題，例如未知物質是否構成威脅，以及可能需要什麼級別的防護裝備。這項技術可能能夠區分化學性質相似的物質並識別生物威脅，儘管目前的工作尚未在現場準備好的設備中展示這些能力。研究人員還在探索化學和生物檢測之外的應用。

基於 NV 的量子磁力計可能用於環境監測、GPS 失效導航的磁場繪製以及低頻無線通信。APL 的研究人員還討論了在衞星和低溫系統中的潛在應用。目前的重點是證明納米級 NMR 能夠實現進行有意義的化學檢測所需的靈敏度。如果該團隊成功，結果可能將一種通常與大型實驗室儀器相關的技術轉變為可攜帶的緊湊型量子感測器，能夠在威脅實際存在的地方使用。

量子感測器在安全檢測中的應用

約翰霍普金斯大學的量子感測器研發旨在提升現場化學和生物威脅檢測的能力，這在當前安全環境中尤為重要。傳統檢測方法常常需要將樣本送往實驗室，這不僅耗時，還可能延誤應對措施。透過利用 NV 中心技術，該感測器能在現場快速評估潛在威脅，從而提高反應速度和效率。若成功實現，這項技術將使軍事和安全部門能更靈活地應對各種威脅，並可能拓展至環境監測等其他領域。