La spectroscopie, science de l’analyse des molécules, a toujours été limitée par la précision de ses techniques. Comment alors explorer les structures moléculaires avec une finesse inégalée ? Les chercheurs de l’Université de Pennsylvanie ont peut-être trouvé la réponse en utilisant des capteurs quantiques pour scruter les atomes un par un.
Depuis les années 1950, les scientifiques ont employé les ondes radio pour révéler les «empreintes» moléculaires de matériaux inconnus. Leur utilisation s’étend de l’imagerie par résonance magnétique (IRM) du corps humain à la détection d’explosifs dans les aéroports. Cependant, ces méthodes dépendent de signaux moyennés sur des trillions d’atomes, rendant impossible la détection de variations subtiles entre molécules individuelles. De telles limitations contraignent les applications dans des domaines comme la recherche sur les protéines, où de petites différences de forme peuvent déterminer la fonctionnalité et la distinction entre santé et maladie.
Une inspection subatomique
Les ingénieurs de l’École d’ingénierie et des sciences appliquées de l’Université de Pennsylvanie (Penn Engineering) ont exploité des capteurs quantiques pour appliquer une nouvelle variation de la spectroscopie de résonance quadrupolaire nucléaire (NQR). Technique traditionnellement utilisée pour détecter des drogues, des explosifs ou analyser des produits pharmaceutiques, elle permet désormais de détecter les signaux NQR provenant d’atomes individuels. Cette sensibilité sans précédent a été détaillée dans la revue Nano Letters.
« Cette technique nous permet d’isoler des noyaux individuels et de révéler des différences minimes dans des molécules autrefois considérées comme identiques », a indiqué Lee Bassett, professeur associé en ingénierie électrique et systèmes, directeur du Laboratoire d’ingénierie quantique de Penn et auteur principal de l’article. Il a ajouté : « En se concentrant sur un seul noyau, nous pouvons découvrir des détails sur la structure et la dynamique moléculaires qui étaient auparavant cachés. Cette capacité nous permet d’étudier les éléments constitutifs du monde naturel à une échelle entièrement nouvelle. »
Une découverte inattendue
La découverte a été le fruit d’une observation inattendue lors d’expériences de routine.
Alex Breitweiser, récent docteur en physique de l’École des arts et des sciences de Penn et co-premier auteur de l’article, maintenant chercheur chez IBM, travaillait avec des centres de lacunes d’azote (NV) dans les diamants — des défauts à l’échelle atomique souvent utilisés dans le détection quantique — lorsqu’il a remarqué des motifs inhabituels dans les données. Les signaux périodiques semblaient d’abord être des artefacts expérimentaux mais ont persisté malgré un dépannage approfondi.
En revenant aux manuels des années 1950 et 1960 sur la résonance magnétique nucléaire, le physicien a identifié un mécanisme physique expliquant leurs observations, mécanisme qui avait été auparavant jugé négligeable dans les expériences.
Les avancées technologiques ont permis à l’équipe de détecter et de mesurer des effets autrefois hors de portée des instruments scientifiques. « Nous avons réalisé que nous n’observions pas simplement une anomalie », a-t-il affirmé. « Nous entrions dans un nouveau régime de la physique accessible grâce à cette technologie. »
Une précision inégalée
La compréhension de l’effet a été approfondie par une collaboration avec des chercheurs de l’Université de Technologie de Delft aux Pays-Bas, où Breitweiser avait passé du temps pour des recherches sur des sujets connexes dans le cadre d’une bourse internationale. En combinant expertise en physique expérimentale, détection quantique et modélisation théorique, l’équipe a développé une méthode capable de capturer des signaux atomiques uniques avec une précision exceptionnelle.
« C’est un peu comme isoler une ligne unique dans une immense feuille de calcul », a expliqué Mathieu Ouellet, lui aussi récent docteur en ingénierie électrique et systèmes, et co-premier auteur de l’article. « La NQR traditionnelle fournit quelque chose comme une moyenne — vous avez une idée générale des données dans leur ensemble, mais ne savez rien des points de données individuels. Avec notre méthode, c’est comme si nous avions découvert toutes les données derrière cette moyenne, en isolant le signal d’un seul noyau et en révélant ses propriétés uniques. »
Déterminer les fondements théoriques de cette découverte expérimentale inattendue a nécessité un effort considérable. Mathieu Ouellet a dû tester soigneusement diverses hypothèses, effectuer des simulations et réaliser des calculs pour faire correspondre les données avec des causes potentielles. « C’est un peu comme diagnostiquer un patient sur la base de symptômes », a-t-il conclu. « Les données indiquent quelque chose d’inhabituel, mais il y a souvent plusieurs explications possibles. Il nous a fallu un certain temps pour arriver au bon diagnostic. »
Légende illustration : Représentation artistique des minuscules différences nucléiques détectables à l’aide de la forme de résonance quadrupolaire nucléaire décrite dans le nouvel article. (Crédit : Mathieu Ouellet)
Article : ‘Quadrupolar Resonance Spectroscopy of Individual Nuclei Using a Room-Temperature Quantum Sensor’ / ( 10.1021/acs.nanolett.4c04112 ) – University of Pennsylvania School of Engineering and Applied Science – Publication dans la revue Nano Letters
