美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)的一名研究人员领导的一项新的纳米科学研究，对科学家如何在最小尺度上研究材料进行了全面的研究。
这篇发表在《科学进展》(Science Advances)杂志上的论文，回顾了地下纳米计量学(一门研究纳米级内部测量的科学)的领先工作，并建议量子传感可能成为该领域下一个发现时代的基础。潜在的应用范围可以从绘制细胞内结构用于靶向药物递送到表征量子材料和纳米结构以促进量子计算。
“我们的目标是定义最先进的技术，并考虑已经做了什么，我们需要去哪里，”ORNL的高级研究科学家、该研究的资深作者阿里·帕森(Ali Passian)说。
“每个人都想知道材料表面下的东西，但在任何规模下，找出真正的东西往往都是极具挑战性的。我们希望通过利用量子现象或任何最有希望的机会来激励新一代科学家应对这一挑战，这样我们就可以推动传感和成像科学的边界，走向更大的发现和理解。”
纳米级的粒子是量子科学的基石——小到足以让科学家以最大的精度调整材料的主要特性。一纳米等于十亿分之一米，百万分之一毫米和千分之一微米。例如，一张纸的平均厚度约为10万纳米。
帕森和阿尔斯特大学的合著者阿米尔·帕亚姆认为，纳米级可能不仅是生物系统(如细胞膜)复杂分子组装形成的地方，也是新兴材料(如超表面和量子材料)尺寸一致的地方。他们总结说，到目前为止，这是一个未被充分开发的机会。
像扫描探针显微镜这样的突破性工具，使用尖头探针在原子水平上检查样品，帮助加速了表面纳米计量学的发展。作者指出，地下研究取得的类似突破较少。
“我们所有的感官都是面向表面的，”帕森说。“虽然仍然困难重重，但我们已经通过光、声音、电子和微小的针来干扰材料，将我们的研究范围扩展到了纳米尺度。但一旦到达那里，测量地下的物质仍然极具挑战性。我们需要新的方法，使我们能够在不损坏这些材料的情况下窥视它们的内部。量子科学可能在这方面提供机会，特别是量子传感，例如，探测器、光和样品的量子态可以被利用。”
作者认为，目前处于早期发展阶段的量子传感技术可能是地下探测进步的关键。例如，量子探测器可以使用skyrmion(由磁场干扰产生的亚原子准粒子，已经在考虑用于其他量子应用)来探测比当前任何技术允许的更深的地方。
“人们正在努力突破检测的极限，创造新的测量方式，”Passian说。“我认为，在实现表面和亚表面区域的量子纳米测量方面，这些技术的物质化和用户友好实施将是令人兴奋的。”
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