Terobosan Kuantum: MRI untuk Molekul Mengungkap Rahasia Dunia Atom

Sensor kuantum baru dengan resolusi luar biasa mengubah analisis materials tingkat atom, membuka jalan bagi kemajuan dalam teknologi dan sains kuantum.

Dalam sebuah terobosan ilmiah, tim peneliti internasional dari Forschungszentrum Jülich di Jerman dan IBS Middle for Quantum Nanoscience (QNS) di Korea mengembangkan sensor kuantum yang mampu mendeteksi medan magnet kecil pada skala panjang atom. Karya perintis ini mewujudkan impian lama para ilmuwan: alat seperti MRI untuk materials kuantum.

Pengembangan Sensor Kuantum

Tim peneliti memanfaatkan keahlian fabrikasi molekul tunggal bawah-atas dari kelompok Jülich saat melakukan eksperimen di QNS, memanfaatkan instrumentasi canggih dan pengetahuan metodologis tim Korea, untuk mengembangkan sensor kuantum pertama di dunia untuk dunia atom.

Diameter sebuah atom sejuta kali lebih kecil dari rambut manusia yang paling tebal. Hal ini membuat sangat sulit untuk memvisualisasikan dan mengukur secara tepat besaran fisik seperti medan listrik dan magnet yang muncul dari atom. Untuk merasakan medan lemah tersebut dari satu atom, alat pengamatan harus sangat sensitif dan sekecil atom itu sendiri.

Sensor kuantum adalah teknologi yang menggunakan fenomena mekanika kuantum seperti putaran elektron atau keterikatan keadaan kuantum untuk pengukuran yang tepat. Beberapa jenis sensor kuantum telah dikembangkan selama beberapa tahun terakhir. Sementara banyak sensor kuantum mampu merasakan medan listrik dan magnet, diyakini bahwa resolusi spasial skala atom tidak dapat dikuasai secara bersamaan.

Tim peneliti mencapai tingkat sensitivitas dan resolusi spasial yang belum pernah terjadi sebelumnya dengan menempelkan molekul PTCDA ke ujung STM dan mengukur ESR. Kredit: Institute for Primary Science

Terobosan dalam Teknologi Penginderaan

Keberhasilan sensor kuantum skala atom baru terletak pada penggunaan satu molekul tunggal. Ini adalah cara penginderaan yang berbeda secara konseptual, karena fungsi sebagian besar sensor lainnya bergantung pada cacat – ketidaksempurnaan – kisi kristal. Karena cacat tersebut mengembangkan sifatnya hanya ketika tertanam dalam ke dalam materials, cacat – yang mampu merasakan medan listrik dan magnet, akan selalu berada pada jarak yang agak jauh dari objek sehingga mencegahnya melihat objek sebenarnya pada skala atom tunggal.

Taner Esat dari Forschungszentrum Jülich. Kredit: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau

Tim peneliti mengubah pendekatan dan mengembangkan alat yang menggunakan molekul tunggal untuk merasakan sifat listrik dan magnetik atom. Molekul tersebut ditempelkan pada ujung mikroskop pemindai terowongan dan dapat dibawa dalam jarak beberapa atom dari objek sebenarnya.

Presisi Tinggi dan Aplikasi Potensial

Dr. Taner Esat, penulis utama tim Jülich, mengungkapkan kegembiraannya tentang aplikasi potensial tersebut, dengan menyatakan, “Sensor kuantum ini mengubah permainan, karena menyediakan gambar materials yang sekaya MRI dan pada saat yang sama menetapkan standar baru untuk resolusi spasial dalam sensor kuantum. Ini akan memungkinkan kita untuk mengeksplorasi dan memahami materials pada tingkat yang paling mendasar.” Kolaborasi jangka panjang bergantung pada Dr. Esat, yang sebelumnya merupakan postdoc di QNS, yang pindah kembali ke Jülich tempat ia menyusun molekul penginderaan ini. Ia memilih untuk kembali ke QNS untuk melakukan penelitian guna membuktikan teknik ini menggunakan instrumen canggih di pusat tersebut.

Sensor ini memiliki resolusi energi yang memungkinkan pendeteksian perubahan medan magnet dan listrik dengan resolusi spasial sekitar sepersepuluh angstrom, di mana 1 Ångström biasanya setara dengan satu diameter atom. Selain itu, sensor kuantum dapat dibangun dan diimplementasikan di laboratorium yang ada di seluruh dunia.

Dr. Dimitry Borodin dari QNS. Kredit: Pusat Nanosains Kuantum IBS Korea (QNS)

Kemampuan Penginderaan Revolusioner

Sensor ini memiliki resolusi energi yang memungkinkan pendeteksian perubahan medan magnet dan listrik dengan resolusi spasial sekitar sepersepuluh angstrom, di mana 1 Ångström biasanya setara dengan satu diameter atom. Selain itu, sensor kuantum dapat dibangun dan diimplementasikan di laboratorium yang ada di seluruh dunia.

“Yang membuat pencapaian ini begitu mencengangkan adalah kami menggunakan objek kuantum yang direkayasa secara luar biasa untuk mengungkap sifat-sifat atom basic dari bawah ke atas. Teknik-teknik sebelumnya untuk memvisualisasikan materials menggunakan probe yang besar dan tebal untuk mencoba menganalisis fitur-fitur atom yang sangat kecil,” tegas penulis utama QNS, Dr. Dimitry Borodin. “Anda harus kecil untuk melihat yang kecil.”

Dampak Transformasional pada Materials Kuantum

Sensor kuantum yang inovatif ini siap membuka jalan transformatif untuk merekayasa bahan dan perangkat kuantum, merancang katalis baru, dan mengeksplorasi perilaku kuantum basic dari sistem molekuler, seperti dalam biokimia.

Seperti yang dicatat oleh Yujeong Bae, PI QNS untuk proyek tersebut, “Revolusi dalam perangkat untuk mengamati dan mempelajari materi muncul dari ilmu dasar yang terkumpul. Seperti yang dikatakan Richard Feynman, 'Ada banyak ruang di dasar,' potensi teknologi untuk memanipulasi pada tingkat atom tidak terbatas.” Dan Profesor Temirov, pemimpin kelompok penelitian di Jülich, menambahkan: “Sangat menarik untuk melihat bagaimana pekerjaan kami yang sudah lama dalam manipulasi molekuler telah menghasilkan konstruksi perangkat kuantum yang memecahkan rekor.”

Hasil penelitian ini dipublikasikan hari ini (25 Juli) di Nanoteknologi AlamPengembangan sensor kuantum berskala atom ini menandai tonggak penting dalam bidang teknologi kuantum dan diharapkan memiliki implikasi yang luas di berbagai disiplin ilmu.

Referensi: “Sensor kuantum untuk medan listrik dan magnet skala atom” oleh Taner Esat, Dmitriy Borodin, Jeongmin Oh, Andreas J. Heinrich, F. Stefan Tautz, Yujeong Bae dan Ruslan Temirov, 25 Juli 2024, Nanoteknologi Alam.
DOI: 10.1038/s41565-024-01724-z