在量子信息和量子測(cè)量技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，對(duì)量子奇異世界的探索已成為各國(guó)研究學(xué)者的不懈追求。上海交通大學(xué)物理系朱卡的教授團(tuán)隊(duì)和李金金博士發(fā)明的“光秤”卻與眾不同，因?yàn)樗粤孔庸鈱W(xué)和納米材料為研究基礎(chǔ)，在國(guó)際上首次提出了納米光學(xué)質(zhì)譜儀，也就是“光秤”，對(duì)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(jìn)行無(wú)損高精度的光學(xué)測(cè)量。“這將為量子測(cè)量技術(shù)、納米技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供嶄新的平臺(tái)和新穎的思維方式?！辈粌H如此，研究團(tuán)隊(duì)還希望把“光枰”應(yīng)用到生物DNA分子的研究中，提出一種癌細(xì)胞DNA分子的檢測(cè)方法。

　　對(duì)這一研究成果，美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)研究工作有望帶領(lǐng)納米科學(xué)進(jìn)入一個(gè)嶄新的測(cè)量領(lǐng)域。”國(guó)際公認(rèn)的物理學(xué)界頂尖綜述期刊《Physics Reports》也刊登了朱卡的教授團(tuán)隊(duì)該成果的長(zhǎng)篇綜述性論文。自1971年創(chuàng)刊以來(lái)，該期刊一共只發(fā)表了以中國(guó)大陸科研機(jī)構(gòu)為唯一單位的綜述性論文9篇，其中2000年以來(lái)共4篇，這也是上海交通大學(xué)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(dǎo)的李金金博士以量子光學(xué)和納米材料為研究基礎(chǔ)，在國(guó)際上首次提出了納米光學(xué)質(zhì)譜儀，也就是“光秤”，可以對(duì)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(jìn)行無(wú)損高精度的光學(xué)測(cè)量。這將為量子測(cè)量技術(shù)、納米技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供嶄新的平臺(tái)和新穎的思維方式。

　　研究團(tuán)隊(duì)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(cè)量微觀粒子的質(zhì)量。目前預(yù)測(cè)能精確地測(cè)出單個(gè)原子的質(zhì)量。談到下一步的研究，朱卡的教授表示，對(duì)單個(gè)中性原子的測(cè)量研究已告一段落，目前正在進(jìn)行的是通過(guò)“光枰”來(lái)對(duì)單個(gè)質(zhì)子或中子進(jìn)行測(cè)量的研究。

　　怎樣用光學(xué)的方法來(lái)測(cè)出一個(gè)原子的質(zhì)量?朱卡的教授介紹，把待測(cè)原子放在一個(gè)碳納米管表面，然后用兩束強(qiáng)弱不同的光同時(shí)照在碳納米管上，此時(shí)探測(cè)弱光的吸收譜，就可以精確得到碳納米管的振動(dòng)頻率。他們先后兩次測(cè)量碳納米管的振動(dòng)頻率，得到放入原子前后碳納米管的振動(dòng)頻率的變化量，通過(guò)計(jì)算就能得到落入碳納米管表面的單個(gè)原子的質(zhì)量。

　　“這里并沒(méi)有包含物理學(xué)上的什么新方面或新原理，但以前卻從來(lái)沒(méi)有人考慮過(guò)這樣一個(gè)方案?！敝旖淌趫F(tuán)隊(duì)將碳納米管、量子點(diǎn)和表面等離激元的復(fù)合系統(tǒng)等系統(tǒng)地組合起來(lái)研究，發(fā)明了第一個(gè)全光控制的高靈敏納米光學(xué)質(zhì)譜儀。

　　對(duì)這一研究成果，美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)價(jià)：“這項(xiàng)研究工作有望帶領(lǐng)納米科學(xué)進(jìn)入一個(gè)嶄新的測(cè)量領(lǐng)域。”國(guó)際物理學(xué)界頂尖綜述期刊《PhysicsReports》刊登了該成果的長(zhǎng)篇綜述性論文。自1971年創(chuàng)刊以來(lái)，該期刊總共只發(fā)表了以中國(guó)大陸科研機(jī)構(gòu)為唯一單位的綜述性論文9篇，自2000年以來(lái)不過(guò)4篇。

　　據(jù)朱卡的教授介紹，目前測(cè)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(xué)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(cè)量微觀粒子包括三個(gè)基本過(guò)程，分析物電離，分析物分離和探測(cè)。其不足之處是，被探測(cè)的粒子要使其強(qiáng)行帶電，才能夠被測(cè)量。很多固有屬性不能帶電的粒子的測(cè)量受到限制，比如DNA分子，如果強(qiáng)行使其帶電，其生物成分就可能遭到破壞?！斑@一探測(cè)方法的不足之處是，被探測(cè)的粒子要使其強(qiáng)行帶電，才能夠被測(cè)量。”朱卡的教授表示，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(cè)量將受到限制，比如DNA分子，如果強(qiáng)行使其帶電，就可能造成其生物成分遭到破壞。

　　采用電學(xué)方法進(jìn)行測(cè)量，則需要在納米碳管兩端加上一個(gè)電壓，電流會(huì)產(chǎn)生額外的電學(xué)熱效應(yīng)和能量損失，進(jìn)而造成納米碳管壽命變短、振動(dòng)頻率降低。這不僅影響到質(zhì)量測(cè)量的靈敏度，而且也限制了納米碳管振動(dòng)的頻率，從而影響了測(cè)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(xué)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(cè)量的靈敏度。另外，現(xiàn)有的測(cè)量方法，沒(méi)有精確到單個(gè)原子的測(cè)量，而只能用一堆原子作為測(cè)量單位進(jìn)行反復(fù)測(cè)量，然后再進(jìn)行估算原子的質(zhì)量。如果用“光枰”來(lái)測(cè)量的話(huà)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了單個(gè)原子質(zhì)量的精確測(cè)量。這在很大程度上提高了精確度。

　　朱卡的教授估算，通過(guò)全光控制的“光秤”，其靈敏度和精確度比傳統(tǒng)的電學(xué)質(zhì)譜儀高出將近三個(gè)數(shù)量級(jí)。他表示，這項(xiàng)研究工作在現(xiàn)有電學(xué)質(zhì)譜儀上做了很大的提升和改進(jìn)，用全光學(xué)的方法代替了傳統(tǒng)的電學(xué)測(cè)量，它放大了人們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)，并帶領(lǐng)納米科學(xué)進(jìn)入一個(gè)嶄新的測(cè)量領(lǐng)域。

　　朱卡的教授團(tuán)隊(duì)對(duì)單個(gè)中性原子的測(cè)量研究已告一段落，目前正在進(jìn)行的是通過(guò)“光秤”來(lái)對(duì)單個(gè)質(zhì)子或中子進(jìn)行測(cè)量的研究。他們希望把“光秤”應(yīng)用到生物DNA分子的研究中，提出了一種癌細(xì)胞DNA分子的檢測(cè)方法。傳統(tǒng)的癌變DNA分子的質(zhì)量應(yīng)與正常的DNA分子不完全一樣。利用高精度“光枰”，可以檢測(cè)到癌細(xì)胞的存在。因此，朱卡的教授預(yù)測(cè)其可以用于臨床醫(yī)學(xué)。