Stel je voor dat je probeert de kakofonie te begrijpen van een spreker die vier nummers tegelijk speelt, en je hebt een idee van de uitdaging waar Jenny Schloss en Matt Turner voor staan.

In hun zoektocht om een ​​tool te bouwen die NV-centra gebruikt - onzuiverheden op atomaire schaal in diamanten - om de magnetische velden in alles waar te nemen, van het afvuren van neuronen tot systemen van gecondenseerde materie, het paar Ph.D. kandidaten van de Graduate School of Arts and Sciences hebben een methode ontwikkeld die tegelijkertijd magnetische velden in verschillende richtingen kan detecteren. Schloss en Turner werkten samen met postdoc John Barry (nu onderzoekswetenschapper aan het MIT Lincoln Laboratory) in het laboratorium van Ronald Walsworth, een faculteitslid in Harvard's Center for Brain Science en het Department of Physics.

Schloss, Turner, en Barry bombardeerde een kleine, 4-millimeter vierkante schijf van diamant met vier verschillende microgolfsignalen, die elk waren afgestemd om een ​​specifieke NV-oriëntatie te bewaken en geditherd volgens een uniek frequentiemodulatiepatroon (FM). De onderzoekers konden vervolgens tegelijkertijd meten hoe elke NV-oriëntatie reageerde op verschillende richtingen van een magnetisch veld - bijna alsof ze naar vier FM-radiostations tegelijk luisterden. Het werk wordt beschreven in een nieuw artikel gepubliceerd in Fysieke beoordeling toegepast .

De onderzoekers zeiden dat de nieuwe tool een duidelijke verbetering vertegenwoordigt ten opzichte van eerdere technieken, waarvoor onderzoekers het tijdrovende proces moesten doorlopen van achtereenvolgens schakelen tussen microgolffrequenties om de respons van verschillend georiënteerde NV-centra te controleren.

"Maar met deze nieuwe methode, we kunnen ze allemaal tegelijk doen, "Zei Turner. "De oude manier, dat was prima voor processen die traag waren. Maar voor snelle dingen zoals biomagnetische velden geproduceerd door neuronen af ​​te vuren, we moeten het beter doen dan dat, of we missen misschien wat informatie."

"Dus we verzamelen deze constante stroom gegevens van de diamant terwijl het magnetische veld verandert, " voegde Schloss toe. "En we kunnen het sneller verwerken dan we het verzamelen, zodat we de richting en amplitude van het dynamische magnetische veld in realtime kunnen detecteren."

De tool bouwt voort op eerder werk van Schloss, Turner, Barry, en anderen, die NV-centra in diamanten gebruikte om neurale signalen in zeewormen te detecteren.

"Dat was een geweldig principieel bewijs. Maar een breed bruikbaar neurowetenschappelijk hulpmiddel zou compatibel moeten zijn met zoogdierneuronen, "Zei Schloss. "Maar dat is een uitdaging omdat een reeks vurende neuronen magnetische velden produceert die in alle richtingen zijn georiënteerd. Deze techniek lost dat probleem op voor magnetische detectie van neuronen en andere toekomstige toepassingen."

Een van de redenen waarom NV-centra ideaal zijn voor deze taak, Schloss en Turner zeiden:heeft te maken met de manier waarop ze in het diamantrooster zijn gerangschikt.

"Als je een diamant neemt, je krijgt een NV-centrum als je één koolstofatoom vervangt door een stikstofatoom en een aangrenzend koolstofatoom door een vacature, " zei Schloss. "In het rooster, elk atoom is verbonden met vier andere atomen, er zijn dus vier mogelijke NV-oriëntaties, en elke oriëntatie is het meest gevoelig voor magnetische velden die in die richting wijzen. Dus door alle vier typen NV's te gebruiken, je kunt erachter komen in welke richting het magnetische veld wijst."

Het meten van het magnetische veld dat wordt gedetecteerd door die anders georiënteerde NV-centra is makkelijker gezegd dan gedaan. Het nieuwe systeem omvat het plaatsen van een diamantwafel in een door een laboratorium gegenereerd magnetisch veld en er vervolgens met een laser op schijnen, waardoor het materiaal fluoresceert. Omdat de NV-centra reageren op veranderingen in het magnetische veld en op het speciale FM-microgolfsignaalpatroon, de helderheid van de NV-fluorescentie verandert op een duidelijke manier. Door die veranderingen bij te houden, de onderzoekers kunnen een 3D-afbeelding van het magnetische veld maken.

"Het statische veld is wat in wisselwerking staat met de verschillende NV-oriëntaties, Turner zei. En terwijl we dat microgolfsignaal demoduleren, we kunnen het signaal van elk van hen detecteren."

"Dat is de innovatie:om vier FM-microgolftonen tegelijk te gebruiken, " voegde Schloss toe. "Nu kunnen we alle vier de NV-oriëntaties tegelijkertijd meten en het magnetische veld sneller bepalen dan voorheen, zoals het luisteren naar vier FM-radiostations tegelijk en het allemaal logisch hebben."

Hoewel de technologie nog niet is aangetoond bij zoogdierneuronen, Schloss zei, de studie is een belangrijk proof-of-concept voor een tool die ooit breed inzetbaar zou kunnen zijn.

"Wat we hier leuk aan vinden, is dat het breed toepasbaar is, en het is eigenlijk maar een kleine experimentele upgrade van wat mensen al doen, " zei ze. "We verwachten dat dit heel breed kan worden toegepast in de biologie, in de fysica van de gecondenseerde materie, en elders."

Dit verhaal is gepubliceerd met dank aan de Harvard Gazette, De officiële krant van Harvard University. Voor aanvullend universiteitsnieuws, bezoek Harvard.edu.