在量子信息和量子測量技術(shù)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(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(xué)和納米材料為研究基礎(chǔ)，在國際上首次提出了納米光學(xué)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(jìn)行無損高精度的光學(xué)測量。“這將為量子測量技術(shù)、納米技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供嶄新的平臺和新穎的思維方式。”不僅如此，研究團(tuán)隊還希望把“光枰”應(yīng)用到生物DNA分子的研究中，提出一種癌細(xì)胞DNA分子的檢測方法。

　　對這一研究成果，美國物理學(xué)會評價：“這項研究工作有望帶領(lǐng)納米科學(xué)進(jìn)入一個嶄新的測量領(lǐng)域。”國際公認(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(jī)構(gòu)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(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)，在國際上首次提出了納米光學(xué)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(jìn)行無損高精度的光學(xué)測量。這將為量子測量技術(shù)、納米技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)技術(shù)的發(fā)展提供嶄新的平臺和新穎的思維方式。

　　研究團(tuán)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(yù)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(jìn)行的是通過“光枰”來對單個質(zhì)子或中子進(jìn)行測量的研究。

　　怎樣用光學(xué)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(qiáng)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(xué)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(tuán)隊將碳納米管、量子點和表面等離激元的復(fù)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(xué)質(zhì)譜儀。

　　對這一研究成果，美國物理學(xué)會評價：“這項研究工作有望帶領(lǐng)納米科學(xué)進(jìn)入一個嶄新的測量領(lǐng)域。”國際物理學(xué)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(jī)構(gòu)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(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(qiáng)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(qiáng)行使其帶電，其生物成分就可能遭到破壞。“這一探測方法的不足之處是，被探測的粒子要使其強(qiáng)行帶電，才能夠被測量。”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(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(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(jìn)行反復(fù)測量，然后再進(jìn)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(xué)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(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)測量，它放大了人們對微觀世界的認(rèn)識，并帶領(lǐng)納米科學(xué)進(jìn)入一個嶄新的測量領(lǐng)域。

　　朱卡的教授團(tuán)隊對單個中性原子的測量研究已告一段落，目前正在進(jìn)行的是通過“光秤”來對單個質(zhì)子或中子進(jìn)行測量的研究。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”，可以檢測到癌細(xì)胞的存在。因此，朱卡的教授預(yù)測其可以用于臨床醫(yī)學(xué)。