Voor de eerste keer, een onderzoeker aan de Universiteit van Waterloo heeft theoretisch aangetoond dat het mogelijk is om een ​​enkele kernspin bij kamertemperatuur te detecteren, die de weg zouden kunnen effenen voor nieuwe benaderingen van medische diagnostiek.

Gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie deze week, Amir Yacoby van de Universiteit van Waterloo, samen met collega's van de Universiteit van Basel en de RWTH Aachen University, een theoretisch schema voorstellen dat in de nabije toekomst zou kunnen leiden tot verbeterde nucleaire magnetische resonantie (NMR) beeldvorming van biologische materialen door gebruik te maken van zwakke magnetische velden.

Het meten van spin is routine in huidige beeldvormingsapparatuur zoals Magnetic Resonance Imaging, omdat kernspin magnetische velden genereert. Echter, zwakke magnetische velden zoals die op atomair niveau zijn met de huidige technologie moeilijk te detecteren. Voeg ruis toe aan het veld en de detectie is moeilijker. Nog, volgens de nieuwe krant wanneer een magneet in de mix wordt geplaatst, detectie kan worden bereikt met zwakke velden.

"Er is grote belangstelling voor het meten van de handtekeningen van zwakke magnetische velden, " zei Yacoby, Distinguished Research Chair in gecondenseerde materie bij de afdeling Natuur- en Sterrenkunde en geassocieerd lid van het Institute for Quantum Computing aan de Universiteit van Waterloo. "Ons voorstel zou kunnen leiden tot betere beeldvorming voor nucleaire magnetische resonantie (NMR) op nanoschaal op biologisch materiaal in lawaaierige omstandigheden."

Denk aan een zwaar persoon die op een schommel zit. Een heel sterk persoon zou de schommel kunnen duwen. Het is ook mogelijk voor een kleinere, zwakkere persoon om de schommel periodiek met minder kracht te bewegen, aangezien elke duw in een grotere beweging resulteert. Zo slingeren we onszelf – zelfs met een zwakke bron, het is mogelijk om uiteindelijk een grote respons te krijgen.

Yacoby en zijn collega's theoretiseren dat door een klein ferromagnetisch deeltje tussen een stikstof-vacature quantumbit (qubit) magnetometer en de bron - de kernspin - de gevoeligheid van de magnetometer te vergroten. De sterk gecorreleerde elektronenspins in de magneet en hun collectieve excitatie kunnen worden gebruikt om het zwakke signaal van de bron te versterken. Het moduleren van de bron zal langzaam resoneren met de magneet en kracht beginnen op te bouwen, net als de schommel. Een qubit-magnetometer kan dan de grotere respons van de magneet aflezen.

Als versterker fungeren, het ferromagnetische deeltje kan een enkele spin detecteren op een afstand van 30 nanometer (nm) bij kamertemperatuur. Bij eerdere pogingen zonder magneet moest de detector onmogelijk dicht bij de bron worden geplaatst, slechts 1-2 nm. Door het magnetische deeltje toe te voegen, kan de sensor zich verder van het systeem bevinden, de kans verkleinen dat de sensor deze vernietigt, en toch in staat om een ​​meetbaar signaal te detecteren.

De paper analyseert theoretisch de haalbaarheid van het volledig klassieke schema. Conceptueel is het voorstel vrij eenvoudig, maar hoewel de uitvoering zijn uitdagingen kent, onderzoeken geloven dat het veel minder kwetsbaar is dan een kwantumschema. deze resultaten, in combinatie met Yacoby's andere onderzoek naar het verbeteren van resolutie, zou in de nabije toekomst verbeterde NMR-beeldvorming van biologische materialen kunnen zien.