Kernmagnetische resonantie (NMR) spectroscopie is een van de belangrijkste methoden voor fysisch-chemische analyse. Het kan worden gebruikt om precieze moleculaire structuren en dynamica te bepalen. Het belang van deze methode blijkt ook uit de erkenning van de twee laatste Nobelprijswinnaars van ETH Zürich, Richard Ernst en Kurt Wüthrich, voor hun bijdrage aan het verfijnen van de methode.

De techniek is gebaseerd op kernmagnetische resonantie, die profiteert van het feit dat bepaalde atoomkernen interageren met een magnetisch veld. Een sleutelfactor hierbij is kernspin, wat te vergelijken is met het spinnen van een kindertopje. Vergelijkbaar met een topje dat begint te wiebelen, een fenomeen genaamd precessie, kernspins die worden blootgesteld aan een magnetisch veld beginnen te precessie. Dit genereert een elektromagnetisch signaal dat kan worden gemeten met behulp van een inductiespoel.

Hogere resolutie

Een team van onderzoekers onder leiding van Christian Degen, Hoogleraar vastestoffysica aan de ETH Zürich, heeft een nieuwe aanpak ontwikkeld, waardoor het mogelijk is om de precessie van enkele kernspins direct te volgen. In vergelijking, conventionele NMR-metingen vereisen meestal minimaal 10 ¹² tot 10 ¹⁸ atoomkernen om een ​​meetsignaal te registreren.

In hun project hebben de ETH-onderzoekers analyseerden het gedrag van koolstof-13-atomen in diamanten. In plaats van conventionele methoden te gebruiken om de precessie van de koolstofkern te meten, ze gebruikten de spin van een aangrenzend elektron in een NV-centrum - een imperfectie in het kristalrooster van de diamant - als een sensor. Kristian Cujia, een doctoraatsstudent in de groep van Degen, vat het principe als volgt samen:"We gebruiken een tweede kwantumsysteem om het gedrag van het eerste kwantumsysteem te bestuderen. Op deze manier, we hebben een zeer gevoelige manier van meten gecreëerd."

Potentieel voor toekomstige toepassingen

Quantumsystemen zijn moeilijk vast te pinnen, aangezien elke meting ook het waargenomen systeem zal beïnvloeden. Daarom, de onderzoekers konden de precessie niet continu volgen; zijn beweging zou te drastisch zijn veranderd. Om dit probleem op te lossen, ze ontwikkelden een speciale meetmethode om de spin van het koolstofatoom te vangen door een reeks zwakke metingen snel achter elkaar. Als resultaat, ze waren in staat om de invloed van hun waarneming zo klein te houden dat ze het systeem niet meetbaar beïnvloeden, waardoor de oorspronkelijke cirkelvormige beweging waarneembaar blijft.

"Onze methode maakt de weg vrij voor opmerkelijke vooruitgang in NMR-technologie, Degen legt uit. "Dit stelt ons mogelijk in staat om de spectra van individuele moleculen direct vast te leggen en structuren op atomair niveau te analyseren." de natuurkundigen identificeerden de driedimensionale positie van de koolstofkernen in het diamantrooster met atomaire resolutie. De natuurkundigen zien een enorm potentieel in deze ontwikkeling. Dergelijke gedetailleerde NMR-metingen kunnen op veel gebieden tot geheel nieuwe inzichten leiden, zoals de afgelopen decennia al het geval was met conventionele NMR-spectroscopie."

De studie is gepubliceerd in Natuur .