在量子信息和量子測量技術迅猛發(fā)展的今天，對量子奇異世界的探索已成為各國研究學者的不懈追求。上海交通大學物理系朱卡的教授團隊和李金金博士發(fā)明的“光秤”卻與眾不同，因為它以量子光學和納米材料為研究基礎，在國際上首次提出了納米光學質(zhì)譜儀，也就是“光秤”，對生物DNA分子的質(zhì)量、染色體的質(zhì)量以及中性原子的質(zhì)量進行無損高精度的光學測量?！斑@將為量子測量技術、納米技術、生物醫(yī)學技術的發(fā)展提供嶄新的平臺和新穎的思維方式?！辈粌H如此，研究團隊還希望把“光枰”應用到生物DNA分子的研究中，提出一種癌細胞DNA分子的檢測方法。
對這一研究成果，美國物理學會評價：“這項研究工作有望帶領納米科學進入一個嶄新的測量領域。”國際公認的物理學界頂尖綜述期刊《Physics Reports》也刊登了朱卡的教授團隊該成果的長篇綜述性論文。自1971年創(chuàng)刊以來，該期刊一共只發(fā)表了以中國大陸科研機構為唯一單位的綜述性論文9篇，其中2000年以來共4篇，這也是上海交通大學首次以唯一單位在該期刊上發(fā)表論文。
朱卡的教授和他所指導的李金金博士以量子光學和納米材料為研究基礎，在國際上首次提出了納米光學質(zhì)譜儀，也就是“光秤”，可以對生物DNA分子的質(zhì)量、染色體的質(zhì)量以及中性原子的質(zhì)量進行無損高精度的光學測量。這將為量子測量技術、納米技術、生物醫(yī)學技術的發(fā)展提供嶄新的平臺和新穎的思維方式。
研究團隊利用表面等離激元和納米材料的耦合系統(tǒng)首次提出了用全光控制的方法測量微觀粒子的質(zhì)量。目前預測能精確地測出單個原子的質(zhì)量。談到下一步的研究，朱卡的教授表示，對單個中性原子的測量研究已告一段落，目前正在進行的是通過“光枰”來對單個質(zhì)子或中子進行測量的研究。
怎樣用光學的方法來測出一個原子的質(zhì)量?朱卡的教授介紹，把待測原子放在一個碳納米管表面，然后用兩束強弱不同的光同時照在碳納米管上，此時探測弱光的吸收譜，就可以精確得到碳納米管的振動頻率。他們先后兩次測量碳納米管的振動頻率，得到放入原子前后碳納米管的振動頻率的變化量，通過計算就能得到落入碳納米管表面的單個原子的質(zhì)量。
“這里并沒有包含物理學上的什么新方面或新原理，但以前卻從來沒有人考慮過這樣一個方案。”朱教授團隊將碳納米管、量子點和表面等離激元的復合系統(tǒng)等系統(tǒng)地組合起來研究，發(fā)明了第一個全光控制的高靈敏納米光學質(zhì)譜儀。
對這一研究成果，美國物理學會評價：“這項研究工作有望帶領納米科學進入一個嶄新的測量領域。”國際物理學界頂尖綜述期刊《PhysicsReports》刊登了該成果的長篇綜述性論文。自1971年創(chuàng)刊以來，該期刊總共只發(fā)表了以中國大陸科研機構為唯一單位的綜述性論文9篇，自2000年以來不過4篇。
據(jù)朱卡的教授介紹，目前測量原子和質(zhì)子等微觀粒子質(zhì)量的方法或儀器包括經(jīng)典質(zhì)譜儀和電學納米質(zhì)譜儀。與這兩種傳統(tǒng)的方法相比，“光枰”的靈敏度和精確度都大幅提高。
經(jīng)典的質(zhì)譜儀測量微觀粒子包括三個基本過程，分析物電離，分析物分離和探測。其不足之處是，被探測的粒子要使其強行帶電，才能夠被測量。很多固有屬性不能帶電的粒子的測量受到限制，比如DNA分子，如果強行使其帶電，其生物成分就可能遭到破壞?！斑@一探測方法的不足之處是，被探測的粒子要使其強行帶電，才能夠被測量?！敝炜ǖ慕淌诒硎?，這就意味著，由于很多固有屬性不能帶電的粒子，其質(zhì)量的測量將受到限制，比如DNA分子，如果強行使其帶電，就可能造成其生物成分遭到破壞。
采用電學方法進行測量，則需要在納米碳管兩端加上一個電壓，電流會產(chǎn)生額外的電學熱效應和能量損失，進而造成納米碳管壽命變短、振動頻率降低。這不僅影響到質(zhì)量測量的靈敏度，而且也限制了納米碳管振動的頻率，從而影響了測量結(jié)果的精確度。
朱卡的教授表示，“光枰”在全光控制的環(huán)境中，不涉及任何電學參量，這就避免了電路造成的誤差，在極大程度上提高了質(zhì)量測量的靈敏度。另外，現(xiàn)有的測量方法，沒有精確到單個原子的測量，而只能用一堆原子作為測量單位進行反復測量，然后再進行估算原子的質(zhì)量。如果用“光枰”來測量的話，已經(jīng)實現(xiàn)了單個原子質(zhì)量的精確測量。這在很大程度上提高了精確度。
朱卡的教授估算，通過全光控制的“光秤”，其靈敏度和精確度比傳統(tǒng)的電學質(zhì)譜儀高出將近三個數(shù)量級。他表示，這項研究工作在現(xiàn)有電學質(zhì)譜儀上做了很大的提升和改進，用全光學的方法代替了傳統(tǒng)的電學測量，它放大了人們對微觀世界的認識，并帶領納米科學進入一個嶄新的測量領域。
朱卡的教授團隊對單個中性原子的測量研究已告一段落，目前正在進行的是通過“光秤”來對單個質(zhì)子或中子進行測量的研究。他們希望把“光秤”應用到生物DNA分子的研究中，提出了一種癌細胞DNA分子的檢測方法。傳統(tǒng)的癌變DNA分子的質(zhì)量應與正常的DNA分子不完全一樣。利用高精度“光枰”，可以檢測到癌細胞的存在。因此，朱卡的教授預測其可以用于臨床醫(yī)學。
