Onderzoekers van QuTech, een samenwerking van TU Delft en TNO, hebben een nieuwe magnetische kwantumdetectietechnologie ontwikkeld die monsters kan afbeelden met een resolutie op atomaire schaal. Het opent de deur naar het in beeld brengen van individuele moleculen, zoals eiwitten en andere complexe systemen, atoom voor atoom. Het team rapporteert over hun resultaten in Natuur op 18 dec.

Magnetische resonantiebeeldvorming (MRI) en nucleaire magnetische resonantie (NMR) zijn krachtige en veelgebruikte methoden in de materiaalwetenschap, biologie, scheikunde en geneeskunde. Veel atoomkernen hebben een eigenschap die spin wordt genoemd. Atoomkernen gedragen zich als kleine magneten die kleine magnetische velden genereren, die kunnen worden gedetecteerd met behulp van antennes.

Magnetische beeldvorming is niet-invasief, kan verschillende soorten atomen onderscheiden, en werkt onder uiteenlopende omstandigheden, ook op kamertemperatuur. Maar de huidige methoden zijn beperkt tot het middelen over grote volumes met grote hoeveelheden atomen, en het afbeelden van individuele moleculen of structuren op nanoschaal is niet mogelijk. Onderzoekers van QuTech hebben nu een belangrijke stap gezet om die beperking te overwinnen.

Kwantumsensoren

"Ons werk is gebaseerd op het Stikstof Leegstand (NV) centrum, " zei eerste auteur Mohamed Abobeih. "Dit NV-centrum komt van nature voor in diamant:twee koolstofatomen worden vervangen door een enkel stikstofatoom. Het centrum vangt een enkele elektronenspin op die kan functioneren als een atomaire sensor. Door dit elektron precies te manipuleren, kunnen we selectief de kleine magnetische velden oppikken die worden gecreëerd door kernen in de buurt."

"Bij QuTech gebruiken we deze NV-centra over het algemeen als kwantumbits, de bouwstenen voor toekomstige kwantumcomputers en het kwantuminternet. Maar dezelfde eigenschappen die NV-centra goede kwantumbits maken, maak ze ook goede kwantumsensoren, " zei Tim Taminiau, hoofdonderzoeker.

3D-beeldvorming

Taminiau legde uit dat zijn team voortbouwde op eerder onderzoek naar goed geïsoleerde kernspins. "Deze eerdere onderzoeken gaven aan dat het NV-centrum gevoelig genoeg is om de kleine signalen van individuele kernen op te lossen. Maar voor het afbeelden van complexe monsters zoals moleculen, alleen kernspins detecteren is niet genoeg, " legde Taminiau uit. "Je moet de positie van elke spin in de steekproef nauwkeurig bepalen, en dat is wat we wilden doen."

"We hebben een methode ontwikkeld om de 3D-structuur van complexe spinsystemen te verkrijgen, " zei co-auteur Joe Randall. "Elke kernspin voelt het magnetische veld van alle andere kernspins. Deze interacties zijn afhankelijk van de precieze posities van de atomen en coderen daarom de ruimtelijke structuur. Bijvoorbeeld, twee atomen die dichter bij elkaar staan, hebben de neiging om sterker te interageren. We hebben methoden ontwikkeld om deze interacties nauwkeurig te meten en om te zetten in een volledig 3D-beeld met atomaire resolutie."

Resolutie op atoomschaal

Om hun methode te testen, de onderzoekers pasten het toe op een cluster van 27 koolstof-13-atomen in een zeer zuivere diamant. Dit cluster van spins biedt een modelsysteem voor een molecuul. Na het meten van meer dan 150 interacties tussen de kernen en het uitvoeren van een intens numeriek reconstructie-algoritme, de volledige 3D-structuur werd verkregen met een ruimtelijke precisie die veel kleiner was dan de grootte van een atoom.

Buiten de diamant voelen

De volgende stap is het detecteren van monsters buiten de diamant door NV-centra dicht bij het oppervlak te brengen. Het uiteindelijke doel is om individuele moleculen in beeld te kunnen brengen, zoals eiwitten, en enkele kwantumapparaten met atomaire resolutie.

De publicatie in Natuur is een samenwerking van QuTech en Element Six, waaruit de ultrazuivere diamanten groeiden die in het onderzoek werden gebruikt.