Een internationaal onderzoeksproject onder leiding van Kazuyuki Takeda van de Universiteit van Kyoto en Koji Usami van de Universiteit van Tokio heeft een nieuwe methode ontwikkeld voor lichtdetectie voor nucleaire magnetische resonantie (NMR) door NMR-radiofrequentiesignalen om te zetten in optische signalen.

Deze nieuwe detectiemethode, verschijnen in het journaal optiek , heeft het potentieel om gevoeligere analyses te verstrekken in vergelijking met conventionele NMR. Het mogelijke gebruik ervan in chemische analyse met hogere nauwkeurigheid, evenals in magnetische resonantie beeldvorming (MRI) technologie, zijn ook interessant.

NMR is een tak van spectroscopie waarbij wetenschappers de spin van de atoomkern meten om de identiteit ervan te bepalen. Atoomkernen die aan een magnetisch veld worden onderworpen, induceren radiofrequentiesignalen in een detectorcircuit. Omdat verschillende atomen signalen met verschillende frequenties veroorzaken, wetenschappers kunnen deze informatie gebruiken om de verbindingen in een monster te bepalen. De meest bekende toepassing hiervan is in op MRI gebaseerde verbeelding, zoals CT-scans.

"NMR is een zeer krachtig hulpmiddel, maar de metingen ervan zijn afhankelijk van de versterking van elektrische signalen bij radiofrequenties. Dat trekt extra ruis binnen en beperkt de gevoeligheid van onze metingen, ", legt Takeda uit. "Dus hebben we een experimenteel NMR-systeem helemaal opnieuw ontwikkeld, die radiofrequentiesignalen omzet in optische signalen."

Het principe achter deze 'up-conversie' is een nieuwe hybride kwantumconversietechnologie. Het team werkte aan de integratie van dit systeem in NMR, uiteindelijk een apparaat bouwen dat elektronica verbindt met mechanica, en dan naar optica. Het materiaal dat alle drie de systemen verbindt, is een elastisch membraan van siliciumnitride.

"We hebben een condensator geconstrueerd door een metalen laag vacuüm op het siliciumnitridemembraan te plaatsen, " legt co-auteur Usami uit. Als je dit gebruikt met een spoel, ze bouwden een resonator om NMR-signalen te detecteren, en bouwde vervolgens een optische holte met de metaallaag als spiegel. "Het binnenkomende elektrische NMR-signaal schudt het membraan, veroorzaakt beweging die wordt gedetecteerd door een optische interferometer."

Het team is van mening dat het succes van deze optische detectie de spectroscopiemethode nog verder kan brengen, met de hoop dat deze verhoogde nauwkeurigheid in detectie en karakterisering van materialen kan worden gebruikt in meerdere wetenschappelijke disciplines.

Takeda concludeert, "Er zijn verschillende methoden voor optische NMR-detectie gerapporteerd, en hoewel sommige zeer gevoelig zijn, ze hebben tot nu toe geen brede toepasbaarheid gehad. Ons nieuwe schema is zowel veelzijdig als toepasbaar op een breed scala aan materialen gebleken."