Stel je een sensor voor die zo gevoelig is dat hij veranderingen in de protonconcentratie van een enkel eiwit kan detecteren, binnen een enkele cel. Dit niveau van inzicht zou de ongrijpbare dynamiek op kwantumschaal van de functie van dat eiwit onthullen, mogelijk zelfs in realtime, maar vereist een sensor met regelbare functies op een vergelijkbare schaal.

Dankzij een nieuwe fabricagetechniek, kwantumdetectievermogens naderen nu deze schaal van precisie. Zoals ze deze week melden in Technische Natuurkunde Brieven , onderzoekers in Japan hebben reproduceerbaar een uitgelijnd ensemble van kwantumsensoren gevormd, stikstof-vacaturecentra (NV) genoemd, slechts nanometer van het oppervlak van het substraat.

Geverifieerd door nanoschaal nucleaire magnetische resonantie (NMR) metingen, deze resultaten markeren een duidelijk pad naar ontwerp op atomair niveau van kwantumsensoren met grotere oppervlakten dan normaal haalbaar. Dit is de eerste demonstratie van deze nanoschaal NMR-meting met perfect uitgelijnde, NV-centra met hoge dichtheid aan de oppervlakte, een enorme vooruitgang betekenen voor onderzoek naar kwantummagnetometrie.

"De manier om zowel hoge tellingen als hoog contrast te combineren, is door de uitlijning, want als je de uitlijning hebt, heb je in feite het voordeel van de enkele NV's in combinatie met de hoge tellingen verkregen van de ensemble NV-centra, " zei Hitoshi Ishiwata van het Tokyo Institute of Technology en hoofdauteur van het artikel. "Dus dat is wat we eigenlijk deden, heel dicht bij het oppervlak - binnen 10 nanometer - en we hebben aangetoond dat met een SIMS-meting [Secondary Ion Mass Spectrometry], evenals het meten van nano NMR, die u de benadering van de afstand van NV's vanaf het oppervlak laat zien."

NV-centra, al een populair hulpmiddel in de wereld van kwantumdetectie, zijn specifieke soorten onzuiverheden in de kristalstructuur van diamant. Voor een enkele eenheid van diamant's anders puur koolstofconfiguratie, het NV-centrum bestaat uit een stikstofatoom naast een ontbrekend (leeg) atoom in het kristalrooster. Dit defect kan optreden op een van de vier mogelijke locaties in het eenheidskristal, en elk levert een enkel-fotonsignaal waarvan de spectrale signatuur nucleaire spin-afhankelijk is.

De nieuwe techniek maakt gebruik van een combinatie van chemische dampafzetting (CVD) en directioneel polijsten om te bepalen hoe de NV's zich in het rooster vormen. Voor hun diamantsubstraat, die een gemeenschappelijk uitgelijnd oppervlak heeft, waarbij het rooster langs hetzelfde kristallijne vlak is georiënteerd (in dit geval 111 genoemd), Ishiwata en zijn collega's bereikten ensembles van NV's allemaal met dezelfde oriëntatie. Voor een substraat met een diameter van ongeveer 10 micron, net minder dan de breedte van een mensenhaar, hun methode kan ergens rond de 10 produceren, 000 van dergelijke centra binnen 10 nanometer van het oppervlak.

NV's op dezelfde respectieve locaties van hun kristaleenheden en zo dicht bij het oppervlak, de groep zou NMR-detectie op nanoschaal kunnen uitvoeren van het fluor in olie dat contact maakt met het substraat. De betrouwbaarheid van hun fabricagemethode heeft (letterlijk) verreikende toepassingen voor breedveldmetingen, zorgen voor een hoge contrastdetectie over relatief grote monstergebieden.

"Het andere voordeel van NV-centra met hoge dichtheid met uitlijning is het uitvoeren van breedveldbeeldvorming met hoge gevoeligheid, "Zei Ishiwata. "Vroeger was het onmogelijk om een ​​hoge gevoeligheid te hebben voor breedveldbeeldvorming vanwege de moeilijkheid om NV-centra met een hoge dichtheid uit te lijnen. Met onze techniek, breedveldbeeldvorming met hoog contrast en een hoge signaal-ruisverhouding is nu mogelijk, wat leidt tot breedveldbeeldvorming met hoge gevoeligheid."

Terwijl de groep blijft zoeken naar manieren om de methode verder te verbeteren, ze zijn ook op zoek naar toepassingen van deze ensembles in time-resolved sensing, met behulp van gepulste lasers om real-time protoninformatie van dynamische monsters te leveren. Ishiwata zelf was bijzonder enthousiast over de mogelijkheden om biologische cellen als nooit tevoren te begrijpen.

"Een toekomstige toepassing van dit materiaal is de observatie van individuele celmembranen omdat ons materiaal geschikt is voor het waarnemen van nanoschaal NMR op de volumeschaal van 17 kubieke nanometer, wat vergelijkbaar is met de dikte van celmembranen (~5 nanometer), " zei Ishiwata. "Dus we zouden dit materiaal en deze meettechniek kunnen gebruiken voor het lokaal onderzoeken van activiteit op nanoschaal van eiwitten die in celmembraan voorkomen met een hoge gevoeligheid."