Diamanten zijn misschien wel de beste vriend van een meisje, maar ze kunnen ons op een dag ook helpen begrijpen hoe de hersenen informatie verwerken, dankzij een nieuwe detectietechniek ontwikkeld aan het MIT.

Een team van de Quantum Engineering Group van MIT heeft een nieuwe methode ontwikkeld om diamantsensoren op nanoschaal te controleren. die zelfs zeer zwakke magnetische velden kunnen meten. De onderzoekers presenteren deze week hun werk in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Met de nieuwe regeltechniek kunnen de kleine sensoren volgen hoe deze magnetische velden in de loop van de tijd veranderen, zoals wanneer neuronen in de hersenen elektrische signalen aan elkaar doorgeven. Het zou onderzoekers ook in staat kunnen stellen nauwkeuriger de magnetische velden te meten die worden geproduceerd door nieuwe materialen, zoals de metamaterialen die worden gebruikt om superlenzen en 'onzichtbaarheidsmantels' te maken.

In 2008 heeft een team van onderzoekers van MIT, Harvard universiteit, en andere instellingen onthulden voor het eerst dat defecten op nanoschaal in diamanten kunnen worden gebruikt als magnetische sensoren.

De natuurlijk voorkomende gebreken, bekend als stikstof-leegstand (N-V) centra, zijn gevoelig voor externe magnetische velden, net als kompassen, zegt Paola Cappellaro, de Esther en Harold Edgerton Associate Professor of Nuclear Science and Engineering (NSE) aan het MIT.

Defecten in diamanten worden ook wel kleurcentra genoemd, Capellaro zegt, omdat ze de edelstenen een bepaalde tint geven:"Dus als je ooit een mooie diamant ziet die blauw of roze is, de kleur is te wijten aan het feit dat er gebreken in de diamant zijn."

Het N-V-centrumdefect bestaat uit een stikstofatoom in plaats van een koolstofatoom en naast een leegte - of holte - in de roosterstructuur van de diamant. Veel van dergelijke defecten in een diamant zouden de edelsteen een roze kleur geven, en wanneer ze met licht worden verlicht, zenden ze een rood licht uit, zegt Capellaro.

Om de nieuwe methode voor het aansturen van deze sensoren te ontwikkelen, Cappellaro's team onderzocht eerst de diamant met groen laserlicht totdat ze een rood licht ontdekten. die hen precies vertelde waar het defect zich bevond.

Vervolgens pasten ze een microgolfveld toe op de sensor op nanoschaal, om de elektronenspin van het N-V-centrum te manipuleren. Dit verandert de intensiteit van het licht dat door het defect wordt uitgestraald, in een mate die niet alleen afhangt van het microgolfveld, maar ook van eventuele externe magnetische velden.

Om externe magnetische velden te meten en hoe ze in de loop van de tijd veranderen, de onderzoekers richtten zich op de nanoschaalsensor met een microgolfpuls, die de richting van de elektronenspin van het NV-centrum veranderde, zegt teamlid en NSE-afgestudeerde student Alexandre Cooper. Door verschillende reeksen van deze pulsen toe te passen, als filters - die elk een ander aantal keren de richting van de elektronenspin verwisselden - was het team in staat om efficiënt informatie te verzamelen over het externe magnetische veld.

Vervolgens pasten ze signaalverwerkingstechnieken toe om deze informatie te interpreteren en gebruikten ze deze om het hele magnetische veld te reconstrueren. "Dus we kunnen de hele dynamiek van dit externe magnetische veld reconstrueren, die je meer informatie geeft over de onderliggende fenomenen die het magnetische veld zelf creëren, ' zegt Capellaro.

Het team gebruikte een vierkant diamant met een diameter van drie millimeter als hun monster, maar het is mogelijk om sensoren te gebruiken die slechts tientallen nanometers groot zijn. De diamantsensoren kunnen worden gebruikt bij kamertemperatuur, en aangezien ze volledig uit koolstof bestaan, ze kunnen in levende cellen worden geïnjecteerd zonder ze schade te berokkenen, zegt Capellaro.

Een mogelijkheid zou zijn om neuronen te laten groeien bovenop de diamantsensor, om het mogelijk te maken de magnetische velden te meten die worden gecreëerd door de "actiepotentiaal, " of signaal, ze produceren en verzenden vervolgens naar andere zenuwen.

Eerder, onderzoekers hebben elektroden in de hersenen gebruikt om een ​​neuron te "porren" en het geproduceerde elektrische veld te meten. Echter, dit is een zeer invasieve techniek, zegt Capellaro. "Je weet niet of het neuron zich nog steeds gedraagt ​​zoals het zou hebben gedaan als je niets had gedaan, " ze zegt.

In plaats daarvan, de diamantsensor kan het magnetische veld niet-invasief meten. "We zouden een reeks van deze defectcentra kunnen hebben om verschillende locaties op het neuron te onderzoeken, en dan zou je weten hoe het signaal zich in de tijd van de ene positie naar de andere voortplant, ' zegt Capellaro.

In experimenten om hun sensor te demonstreren, het team gebruikte een golfgeleider als een kunstmatig neuron en paste een extern magnetisch veld toe. Toen ze de diamantsensor op de golfgeleider plaatsten, ze waren in staat om het magnetische veld nauwkeurig te reconstrueren. Michail Loekin, een professor in de natuurkunde aan Harvard, zegt dat het werk heel mooi het vermogen aantoont om tijdsafhankelijke profielen van zwakke magnetische velden te reconstrueren met behulp van een nieuwe magnetische sensor op basis van kwantummanipulatie van defecten in diamant.

"Op een dag kunnen technieken die in dit werk worden gedemonstreerd ons in staat stellen om realtime hersenactiviteit te meten en te leren hoe ze werken, " zegt Lukin, die niet bij dit onderzoek betrokken was. "Potentieel verstrekkende implicaties kunnen de detectie en uiteindelijke behandeling van hersenziekten omvatten, hoewel er nog veel werk moet worden verzet om aan te tonen of dit werkelijk kan, " hij voegt toe.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.