Natuurkundigen van de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute konden voor het eerst aantonen dat de kernspins van afzonderlijke moleculen kunnen worden gedetecteerd met behulp van magnetische deeltjes bij kamertemperatuur. In Natuur Nanotechnologie , de onderzoekers beschrijven een nieuwe experimentele opstelling waarmee voor het eerst de minuscule magnetische velden van de kernspins van afzonderlijke biomoleculen - tot nu toe ondetecteerbaar - konden worden geregistreerd. Het voorgestelde concept zou de medische diagnostiek en analyses van biologische en chemische monsters verbeteren, wat een beslissende stap voorwaarts zou betekenen.

Het meten van kernspins is inmiddels routine in de medische diagnostiek (MRI). Echter, de nu bestaande apparaten hebben miljarden atomen nodig voor de analyse en zijn dus niet bruikbaar voor veel kleinschalige toepassingen. Gedurende vele decennia, wetenschappers over de hele wereld zijn daarom intensief op zoek gegaan naar alternatieve methoden, wat de gevoeligheid van de meettechnieken zou verbeteren.

Met behulp van verschillende soorten sensoren (SQUID- en Hall-sensoren) en met magnetische resonantiekrachtmicroscopen, het is mogelijk geworden om spins van enkele elektronen te detecteren en structurele resolutie op nanoschaal te bereiken. Echter, de detectie van enkele kernspins van complexe biologische monsters - de heilige graal in het veld - was tot nu toe niet mogelijk.

Diamantkristallen met kleine defecten

De onderzoekers uit Bazel onderzoeken nu de toepassing van sensoren gemaakt van diamanten die minuscule defecten in hun kristalstructuur vertonen. In het kristalrooster van de diamant wordt een koolstofatoom vervangen door een stikstofatoom, met een braakliggend terrein ernaast. Deze zogenaamde Stikstof-Vacature (NV) centra genereren spins, die bij uitstek geschikt zijn voor de detectie van magnetische velden. Op kamertemperatuur, onderzoekers hebben eerder in veel laboratoria experimenteel aangetoond dat met dergelijke NV-centra resolutie van afzonderlijke moleculen mogelijk is. Echter, dit vereist atomair korte afstanden tussen sensor en monster, wat niet mogelijk is voor biologisch materiaal.

Een klein ferromagnetisch deeltje, geplaatst tussen monster en NV centrum, kan dit probleem oplossen. Inderdaad, als de kernspin van het monster wordt aangedreven met een specifieke resonantiefrequentie, de resonantie van het ferromagnetische deeltje verandert. Met behulp van een NV-centrum dat zich in de buurt van het magnetische deeltje bevindt, de wetenschappers kunnen dan deze gewijzigde resonantie detecteren.

Technologische doorbraak meten?

De theoretische analyse en experimentele technieken van de onderzoekers in de teams van prof.dr. Daniel Loss en prof. Patrick Maletinsky hebben aangetoond dat het gebruik van dergelijke ferromagnetische deeltjes kan leiden tot een tienduizendvoudige versterking van het magnetische veld van kernspins. "Ik ben ervan overtuigd dat ons concept binnenkort zal worden geïmplementeerd in echte systemen en zal leiden tot een doorbraak in metrologie, " becommentarieert Daniel Loss de recente publicatie, waar de eerste auteur Dr. Luka Trifunovic, postdoc in het Loss team, essentiële bijdragen heeft geleverd en die is uitgevoerd in samenwerking met collega's van het JARA Institute for Quantum Information (Aken, Duitsland) en de Harvard University (Cambridge).